小尺度槽道換熱器的研究.pdf

1、微細尺度流動和傳熱研究在高科技發(fā)展向微型化邁進的應(yīng)用背景下，成為國際傳熱學(xué)和MEMS學(xué)中的研究重點，其進展將給設(shè)備的小型化和微型化帶來革命性的變革。小尺度槽道換熱器就是在這種背景下發(fā)展起來的一種新的冷卻技術(shù)。其傳熱效率高，流動阻力小的特點在工業(yè)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。本課題的開展對于了解微通道內(nèi)的流動與換熱特性，設(shè)計性能優(yōu)良的小尺度槽道換熱器以及促進其工程應(yīng)用具有重要的意義。 本文以電子芯片冷卻為背景，設(shè)計了一種新型的小尺度槽道換

2、熱器，并通過搭建小尺度流動換熱實驗臺，研究和分析了小尺度換熱器的傳熱及阻力特性。實驗過程中加工了多個具有不同尺寸矩形槽道組的小尺度換熱器作為實驗段，由芯片散熱模擬塊給實驗段加熱，水經(jīng)水泵加壓后進入實驗段將熱量帶走。加熱后的水通過板式換熱器由恒溫水槽中的冷水將其冷卻，冷卻后再進入水泵完成一個循環(huán)。本實驗使用先進的溫度、壓力傳感器，由高精度、多通道的Agilent數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集溫度及壓力信號，保證了實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性。通過對不同

3、槽道尺寸的實驗段在不同的流量和加熱功率下進行測試，綜合探討小尺度槽道內(nèi)流體流動和傳熱的基本規(guī)律。 實驗結(jié)果表明：小尺度槽道內(nèi)層流到紊流的過渡比常規(guī)尺度提前。槽道底壁面熱負荷均勻分布的條件下，對流換熱的努謝爾特數(shù)Nu隨雷諾數(shù)Re的增大而增大，紊流Nu數(shù)高于同等尺度下層流，質(zhì)量流量一定時，熱負荷越高，其內(nèi)工質(zhì)的Nu數(shù)值也越大；阻力系數(shù)f隨Re數(shù)的增大而降低，對于相同的雷諾數(shù)和加熱功率，當(dāng)量直徑越小，阻力系數(shù)越小。因此微管道換熱器內(nèi)水

4、的對流換熱具有優(yōu)良的換熱性能和阻力性能。 本文同時結(jié)合采用CFD數(shù)值計算軟件，用有限容積法進一步分析了小尺度槽道內(nèi)的對流換熱問題，得到以下結(jié)論：小尺寸矩形槽道長徑比大于50以后，可以忽略入口效應(yīng)的影響；阻力系數(shù)f隨Re數(shù)的增大而降低，隨當(dāng)量直徑的減小而減小，與實驗研究結(jié)果的趨勢相一致，此外，f還隨著高寬比的增加而增大；槽道Nu數(shù)隨著當(dāng)量直徑的減小而增大，隨著高寬比的增大而增大。與實驗研究相比，本文數(shù)值計算與實驗所得換熱特性和Re