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光滑矩形微通道液体单相流动和传热的数值研究
中固下程热物理学会 传热传质学
学术会议论文 编号:06312l
光滑矩形微通道液体单相流动和传热的数值研究
云和明1程林1王立秋2曲燕1
1. 山东人学窄闷热科学研究中心,济南,2500612.香港大学机械工程系
摘要:奉文采用CFD方法对水4i笳形光滑微通道内的流动和传热特件进行J,数值模拟。汁算结果表
·9j微通道的Kj寺比,“1量上l』杼、.矗宽LL,t:nf/隙牢都对JL:i,{L4j和传热仃着/fiM程度的影响。4i保持K径
比人卡70I『u使流动的入u效心町忽略的前提下,分别对当量直径,高宽比和孔隙牢对微通道流动和传
热情况进行J,模拟,得到J,各种T况下的流动和传热规律,为进一步探讨微通道的流动和传热机理及
微通道换热器的优化设计提供了蘑要依据。
Fluid
Dynamics),数值模拟,当量直径
关键词:微通道,CFD(Computational
1.前言
根据目前的实验和理论研究发现,微尺度单相流动可达到比常规尺度高得多的换热
系数,微尺皮下的流动和传热问题也日益受到研究人员的重视。采用液冷的微通道热沉
可使电子元件在高热流密度下保持较低的安全温度,从而可提高电子元件的寿命并有效
推动电子器件向微型化和大功率方向发展。
Wu等【1,2】测量了氮气、氢气和氩气在硅微通道的流动特性,微通道为312-572微
米宽和89~97微米深,结果表明阻力系数比常规尺度高1030%,层流向紊流转变的
临界雷诺数为350~-900,在紊流区努赛尔特数比常规理论要高。Peng等【3】对水在不锈钢
微通道的流动和传热进行了实验研究,结果表明微通道的几何尺寸对其流动和传热有着
重要的影响,影响冈素包括通道的高宽比,当量直径,流体的物性等。H.Y.Wu[4】对不同
面体比光滑梯形砗微通道的的流动和传热进行了研究,结果表明微通道的阻力系数受其
面体比的影响很人,l临界雷诺数在1500-2000但同不可压缩的解析解吻合良好,证明
N.S方程在微通道当量直径为25.9微米时还有效。H.B.Ma等【5】利用数值模拟和解析相
结合的方法得到了很多不同截面和雷诺数条件下微通道的层流阻力系数。
本文采用CFD方法对光滑矩形微通道在不同长径比、当量直径、高宽比和孔隙率
下的流动和传热情况进行数值模拟,得到了在各种条件下矩形微通道流动和传热规律。
。
2.几何模型及描述
图la微通道换热器
幽Ib微通道的几何模型
图l(a,b)为微通道换热器及微通道几何模型的示意图,它由一系列的矩形微通道
组成,其上有盖板密封且绝热,均匀热流由底面加入,冷却介质流过微通道时将热流带
6ll
走。由于每个槽道的儿何形状以及温度和速度边界条仆均对称,故可取两个通道间中心
线所夹区域为计算区域。微通道的尉体的材质为硬铝,且采用水作为冷却介质。
3.求解方法 一
采用CFD流l壶1共轭传热技术对微通道稳态的流动和传热进行了模拟。计算过程中
采用有限容积法离散方程,同时求解流体的连续性方程,动量方程和能量方程。选用三
维不可压缩流动,流体的物性随温度的变化而变化。微通道底部以均热流形式导入热量,
顶部盖板及两侧设定绝热边界条件,分别设定速度进口边界条件和压力出口边界条件。
计算中为提高紊流的计算精度,选用雷诺应力紊流模型。动量方程的对流和扩散项采用
残差小于lO-6时,整个计算过程被认为收敛。
4.数值模拟结果的数据处理
4。l微矩形通道的当量直径按式(6)定义
’….厶
d=== (6)式中, w一微流道的宽度;h一微流道的高度。
e
w+h
‘
4.2雷诺数JRP按(7)式定义
。. pd,
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