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多孔矩形微小通道平行流扁管流动换热特性的多维度探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在当今科技飞速发展的时代，电子、机械、生物、航空航天等众多领域的设备正朝着小型化、高度集成化的方向大步迈进。以电子设备为例，随着芯片集成度的不断提高，单位面积上的电子元件数量大幅增加，这使得设备部件的功耗急剧增大。就如智能手机，其内部芯片的性能不断提升，功能日益强大，但同时也带来了更高的发热量。同样，在航空航天领域，卫星、飞行器等设备为了满足复杂的任务需求，在有限的空间内集成了大量的电子设备和精密仪器，这也导致了设备整体的热负荷显著上升。

传统的散热设备及结构设计在面对这种小型化和高能效的苛刻要求时，逐渐显得力不从心。在过去，散热设备往往体积较大，占用空间较多，这与现代设备追求小型化的趋势背道而驰。而且传统散热设备的散热效率相对较低，无法及时有效地将设备产生的热量散发出去，从而严重影响了设备的性能和稳定性。例如，在一些高性能计算机中，如果散热问题得不到妥善解决，芯片温度过高会导致计算机运行速度变慢，甚至出现死机等故障。

为了满足现代设备对散热的严格要求，高效散热设备的研发成为了关键。其中，多孔矩形微小通道平行流扁管凭借其独特的结构和优异的性能，成为了散热领域的研究热点。这种扁管具有小体积、高传热效率、低质量和低空气侵入率等优点，在汽车、航空航天、能源和电子等众多领域展现出了广阔的应用前景。在汽车热管理系统中，多孔矩形微小通道平行流扁管可用于汽车空调的冷凝器和蒸发器，能够有效提高换热效率，减少制冷剂的充注量，降低系统成本和能耗。在航空航天领域，它可以应用于卫星、飞行器等设备的散热系统，在减轻设备重量的同时，确保设备在复杂的工作环境下能够稳定运行。

对多孔矩形微小通道平行流扁管的研究，不仅有助于深入了解其流动和换热特性，为其在实际工程中的应用提供坚实的理论基础，还能推动高效散热设备的创新和发展，满足现代设备对散热性能的严格要求，促进相关领域的技术进步。因此，开展多孔矩形微小通道平行流扁管流动换热特性的研究具有极其重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

国外对微小通道的研究起步较早，1981年，斯坦福大学的Tuckerman和Pease两位教授在硅芯片背面刻蚀了微矩形通道，得到了微细通道换热器，其热流密度可达790W/cm2，这一成果极大地推动了对微细通道的研究热潮。此后，众多学者围绕微小通道的流动与换热特性展开了广泛而深入的研究。

在流动特性方面，一些学者通过实验和数值模拟的方法，对微小通道内的流体流动进行了细致的研究。他们发现，微小通道内的流动与常规通道相比，存在着一些显著的差异。由于通道尺寸的减小，壁面效应变得更加明显，流体的粘性作用增强，导致流动阻力增大。而且在微小通道内，可能会出现一些特殊的流动现象，如滑移流、过渡流等，这些现象对流体的输送和传热过程产生了重要影响。

在换热特性研究中，学者们针对不同的工质和通道结构，对微小通道的换热性能进行了大量的实验研究和理论分析。研究结果表明，微小通道具有较高的换热效率，这主要是因为其较大的比表面积能够增加热量的传递面积，从而提高换热效果。然而，换热过程中也存在着一些问题，如入口段效应明显，在通道入口处，流体的温度和速度分布不均匀，导致换热系数较高，随着流体的流动，换热系数逐渐趋于稳定。而且工质的物性变化对换热性能也有着重要的影响，在高温或低温条件下，工质的粘度、比热容等物性参数会发生变化，进而影响换热效果。

在影响因素方面，国外学者对通道尺寸、形状、粗糙度以及工质的性质等因素进行了深入研究。研究发现，通道的水力直径越小，换热系数越高，但流动阻力也会相应增大；通道的形状对流动和换热特性也有着显著的影响，矩形通道的换热性能优于圆形通道；粗糙度的增加会提高换热系数，但同时也会增大流动阻力；工质的导热系数、粘度等物性参数对换热性能有着重要的影响，选择合适的工质可以提高微小通道的换热效率。

国内在该领域的研究虽然起步相对较晚，但近年来发展迅速，取得了一系列具有重要价值的研究成果。许多科研团队和学者通过实验研究、数值模拟和理论分析等多种方法，对多孔矩形微小通道平行流扁管的流动换热特性进行了全面而深入的研究。

在实验研究方面，一些学者搭建了高精度的实验平台，对不同结构参数和工况条件下的扁管流动换热特性进行了系统的实验研究。通过测量扁管内的流量、温度、压力等物理量，分析了流场特性和壁面热传递特性，为理论模型的建立和验证提供了可靠的实验数据。在数值模拟方面，利用先进的计算流体力学软件，对扁管内的流动和换热过程进行了数值模拟，深入研究了流动和换热机理，预测了扁管的性能，为扁管的优化设计提供了理论依据。在理论分析方面，一些学者基于经典的传热学和流体力学理论，建立了适用于多孔矩形微小通道