周期性变截面微通道液体流动及传热特性的数值模拟.pdfVIP

周期性变截面微通道液体流动与传热特性的数值模拟 1 夏国栋，柴磊，周明正，杨瑞波 北京工业大学环境与能源工程学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利 用北京市重点实验室，北京 （100124 ） E-mail ：xgd@ 摘 要：本文针对周期性变截面微通道内单相液体流动与传热特性，以等截面矩形微通道作 为参照，利用CFD 计算流体力学模拟与分析软件进行三维数值模拟。模型采用有限体积法 离散，SIMPLEC 算法进行层流计算。讨论了周期性变截面微通道热沉在不同热流密度不同 Re 数下流体流动特性和传热特性，并与相同条件下等截面矩形微通道的模拟数值相比较。 分析结果显示周期性变截面微通道具有很好的流体流动特性和传热特性，能够很好地解决高 热流密度元器件的散热问题。同时分析得知粘度随温度变化和粘性耗散对流动和传热影响不 能忽略。 关键词：周期性变截面；微通道；数值模拟 中图分类号： 0 前言 随着微机电系统的发展及其应用领域的不断扩大，高度集成电路的散热问题越来越突 出，传统冷却器的设计极限与制作技术已无法满足散热的要求。近些年来，有关微通道内液 体流动与传热的的研究越来越引起人们的重视。随着微加工技术的日臻完善，一些基于不同 传热机理、设计新颖、性能优越的微型热沉不断涌现，周期性变截面微通道热沉便是其中的 一种。周期性变截面微通道热沉与等截面矩形微通道热沉结构上的区别是在微通道壁面开凿 间距相等形状规则的凹穴。周期性变截面微通道热沉凹穴的设计，使微通道内流体流动分为 等直径流速型和弧形流速型，流体在反复改变速度和压力梯度下进行，产生的漩涡冲刷着边 界层，使边界层不断地中断和再发展。同时扇形凹穴增大了传热面积，使传热效果显著提高。 因此，与等截面矩形微通道热沉相比，周期性变截面微通道热沉在强化微尺度传热方面具有 明显的优势。 近些年来, 国内外对微通道内流动和传热已有大量的研究文献和报道。Gan 和 Xu[1]基于 热边界层中断技术, 设计了一种交错结构的微通道热沉，通道当量直径为 155.3µm ，研究发 现具有交错结构的微通道热沉能够减小微通道进出口压差,并且能较好地强化换热。Peng 和 Peterson[2]对水力学直径在(133～ 367) µm 的矩形粗糙微通道内水的流动进行了实验研究, 发现微通道截面形状对流体流动和对流传热有重要影响,但是它对层流和湍流的传热系数影 响不尽相同，并且发现流动过早的由层流转变为湍流。Qu 和 Mudawar[3]对等截面矩形微通 道(宽 57µm ,高 180µm) 内的流动和传热进行三维数值模拟计算,采用水为冷却介质, 假设流 体的各物性参数均为常数，并与实验结果进行对比,得出结论为流体和固体的温度沿流动方 向线性增加，热流密度和 Nu 数在进口处有最大值,但在边角区域几乎为零。Giudice 和 Nonion[4]探讨了粘度随温度变化和粘性耗散对流动和热同时发展流动的影响。假设粘度随温 度线性变化,其它物性参数为常数,假设热边界为恒温。结果认为粘性随温度变化和粘性耗散 1 本课题得到北京市教育委员会科技计划重点项目(No.KZ200710005001)、北京市属高等学校人才强教计划 项目（PHR200906104 ）、教育部博士点学科专项科研基金项目（No.20070005009 ）的资助。 - 1 - 在很多情况下不能忽略。然而关于微通道内流体流动与传热特性的研究主要集中在等截面微 通道范畴内，而对于变截面微通道，尤其对于沿流动方向上截面发生周期性变化的微通道， 尚缺乏相关的报道。 本文对周期性变截面微通道热沉流体流动与传热特性进行数值模拟研究，并与等截面矩 形微通道热沉比较，以揭示周期性变截面微通道热沉内流体流动与传热特性的基本规律。 本 文 数 值 模 拟 的