微通道换热器流动和传热特性的研究
多孔微通道流动沸腾换热特性的实验研究
第39卷,总第225期2021年1月,第1期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYVol.39,Sum.No.225Jan.2021,No.1 多孔微通道流动沸腾换热特性的实验研究张东辉,徐海洋,陈 一,王雷青,曹 薇,吴明发,周志平(江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏 镇江 212003)摘 要:本文通过实验的方法对烧结的多孔微通道和铜基微通道的沸腾换热性能和流动不稳定进行研究。
实验工质选用去离子水,采用的铜粉粒径分别为30μm、50μm、90μm,烧结底厚为200μm和400μm。
采取控制变量的方式,研究改变入口温度、铜粉粒径大小、入口流量对多孔微通道和铜基微通道换热性能的影响。
研究表明:多孔微通道最优的厚度粒径比在2~5之间,在此区间的多孔微通道可以提高沸腾传热的性能。
其中厚度粒径比为2和4的多孔微通道的最大换热系数是铜基微通道的换热系数的5倍。
多孔微通道相对于铜基微通道有更好的换热能力,有着较低的壁面温度。
关键词:换热;流动沸腾;两相流;铜基微通道;多孔微通道中图分类号:TK011 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2021)01-0020-06Experimental Study on Flow Boiling Heat Transfer Characteristicsof Porous MicrochannelsZHANG Dong-hui,XU Hai-yang,CHEN Yi,WANG Lei-qing,CAO Wei,WU Ming-fa,ZHOU Zhi-ping (School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University of Science andTechnology,Zhenjiang212003,China)Abstract:In this paper,the boiling heat transfer performance and flow instability of sintered porous mi⁃crochannels and copper-based microchannels are studied through experiments.The experimental work⁃ing medium used deionized water,the particle size of the copper powder used was30μm,50μm,90μm,and the thickness of the sintered bottom was200μm and400μm.The method of controlling varia⁃bles was used to study the effect of changing the inlet temperature,copper particle size and inlet flow rate on the heat transfer performance of porous microchannels and copper-based microchannels.Studies have shown that the optimal thickness-to-diameter ratio of porous microchannels is between2~5,and por⁃ous microchannels in this interval can improve boiling heat transfer performance.The maximum heat transfer coefficient of porous microchannels with thickness-to-particle ratios of2and4is5times that of copper-based pared with copper-based microchannels,porous microchannels have better heat transfer capabilities and have lower wall temperatures.Key words:heat transfer;flow boiling;two-phase flow;porous microchannels收稿日期 2019-09-17 修订稿日期 2020-04-20基金项目:江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX19_1701)作者简介:张东辉(1970-),男,博士后,副教授,微尺度两相流换热。
微通道换热器的探讨
微通道换热器的探讨微通道换热器是一种新型的换热器，其具有结构紧凑、重量轻、节能高效等特点，被广泛应用于各个领域，如电子设备散热、汽车工业、太阳能、航天航空等。
在本文中，我们将探讨微通道换热器的原理、性能优势以及未来的发展前景。
首先，微通道换热器是指在压力容器中使用微细孔隙薄板来传导热量的设备。
与传统的换热器相比，微通道换热器具有更大的表面积和更好的传热性能。
这是因为微通道换热器的通道直径通常在微米量级，增加了流体与壁面的接触面积，从而提高了传热效率。
1.结构紧凑：微通道换热器的通道直径较小，能够在有限的空间内实现更大的传热表面积。
这意味着它可以在相对较小的体积内实现相同的传热效果，从而减小了设备的体积和重量。
2.传热效率高：由于微通道换热器的通道直径小，流体与壁面的接触面积增大，导致传热均匀且快速。
此外，在微通道中，流体的流动速度较高，可以增强流体的对流传热效果。
因此，微通道换热器能够实现更高的传热系数，提高传热效率。
3.节能环保：由于微通道换热器的传热效果好，可以在相同的传热量下降低能源的消耗。
此外，微通道换热器具有结构简单、材料使用量少的特点，减少了能源和环境的耗费。
4.可扩展性强：微通道换热器的结构可以根据具体的需求进行设计和制造。
不同的通道形状和排列方式可以实现不同的传热效果。
并且，微通道换热器可以通过增加通道的数量来实现更大的传热表面积，进一步提高传热效率。
目前，微通道换热器已经在电子设备散热、汽车工业、太阳能、航天航空等领域得到了广泛的应用。
例如，在电子设备散热中，微通道换热器可以有效地降低电子元件的温度，提高其工作稳定性和寿命。
在汽车工业中，微通道换热器可以替代传统的散热器，减小汽车发动机的体积和重量，提高燃油利用率。
在太阳能领域，微通道换热器可以将太阳能转化为热能，提高太阳能利用效率。
在航天航空领域，微通道换热器可以应用于航天器和航空发动机中，提高其工作效率和可靠性。
虽然微通道换热器具有很多优势，但目前仍存在一些挑战和问题1.制造难度高：由于微通道换热器的通道直径较小，制造过程中需要使用微米级的加工技术。
微通道换热器的特性分析及应用
微通道换热器的特性分析及应用微通道换热器是一种用于传热和热力转换的新型换热技术。
相比传统换热器，微通道换热器具有体积小、传热效率高、响应速度快、能耗低等优点，被广泛应用于汽车、电子设备、航空航天等领域。
本文将对微通道换热器的特性及应用进行分析。
首先，微通道换热器的特性主要包括以下几个方面：1.尺寸小：微通道换热器采用微细通道设计，通道尺寸通常在10微米至1毫米之间。
相比传统换热器，微通道换热器的体积更小，可以实现高功率密度的换热，适用于对空间有限的系统。
2.传热效率高：微通道换热器的微细通道结构可以增加表面积，提高换热效率。
此外，微通道换热器采用微尺度流体，流体在通道内流动时，流体与通道墙面之间的质量传递和能量传递更为充分，传热效率更高。
3.响应速度快：微通道换热器由于尺寸小、结构简单，使得其对温度变化的响应速度更快。
这对于一些需要快速热传导或需要快速控制温度的应用场合非常重要。
4.能耗低：由于微通道换热器的传热效率高，可以实现在相同传热量的情况下，节约能源消耗。
这对于一些对能源效率要求高的应用来说，具有重要意义。
其次，微通道换热器的应用领域非常广泛，具体包括以下几个方面：1.汽车领域：由于微通道换热器具有尺寸小和传热效率高的特点，因此被广泛应用于汽车的冷却系统中。
微通道换热器可以有效减小汽车发动机冷却系统的体积和重量，并提高冷却效果。
2.电子设备领域：随着电子设备的不断发展，其集成度和功率密度越来越高，导致热管理成为一个重要问题。
微通道换热器作为一种非常有效的热管理技术，可以用于电子设备的散热和温度控制。
3.航空航天领域：在航空航天领域，微通道换热器可以用于飞机发动机的冷却、热交换器的制造等方面。
微通道换热器可以在有限的空间内实现高效传热，并提高飞机的整体效能。
4.化工工艺领域：微通道换热器不仅可以在传统化工工艺中用于传热，还可以用于多相反应、气体/液体分离等工艺过程中。
微通道换热器可以提高化工反应的效率和产能。
微通道换热器流动和传热特性的研究
微通道换热器流动和传热特性的研究微通道换热器流动和传热特性的研究杨海明朱魁章张继宇杨萍(中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043)摘要：通过对微通道换热器流动和传热特性的研究,设计了实验方案并建立了相应的实验装置,结合流动、传热特性的相关准则,得出了雷诺数Re-摩擦系数f,雷诺数Re、普郎特数Pr-努谢尔特数Nu间关系的实验模型,并对该模型进行了分析。
关键词：微通道换热器;流动特性;传热特性;实验模型1引言通道式换热器是利用传热学原理将热量从热流体传给冷流体的,冷热流体分别在固体壁面的两侧流过,热流体的热量以对流和传导的方式传给冷流体。
由于它结构紧凑、体积小、换热效果好,已广泛应用于红外探测、电子设备、生物医疗等工程领域的冷却中。
然而随着现代科技水平的不断发展,被冷却的器件、设备其功能越来越强大,体积和重量越来越小,结构趋于复杂化,散热要求越来越苛刻,迫使采用通道式换热器的制冷器件向小型化、甚至微型化的方向发展,尤其是半导体激光器、T/R收发组件、微电子集成器件等电子仪器、设备对这方面的要求更高,于是微通道换热器(特别是微型节流制冷器MMR)的研制开发已迫切地提到了议事日程上来。
所谓微通道换热器即是采用拉丝或光刻等技术在金属、玻璃等基材上刻出几十至几百微米的细微槽道来构成换热器的壁面,再采用焊接或胶粘等方式形成封闭腔体来进行冷热流体的热交换,达到制冷的目的。
国外对微通道换热特性的研究较多,但主要是进行直线微通道换热器特性的研究,早期关于其流动问题的研究是在微型Joule-Thomson制冷技术中完成的,由美国斯坦福大学利特尔(W.A. Little)教授发明,采用现代半导体光刻加工技术, 在微晶玻璃薄片上刻出几微米到几十微米的细微直线槽道,并采用胶粘技术构成气流的微型换热器、节流元件和蒸发器,从而获得了一种结构新颖的微型平面节流制冷技术以及一定的成果和专利。
目前已经开发成微型制冷器,用于低温电子器件的冷却,产品照片如图3所示。
微通道换热器不同风速下换热及其流动特性研究
微通道换热器不同风速下换热及其流动特性研究陈华;李戈;杨杭;李明瑞【摘要】以微通道换热器为研究对象,搭建微通道换热器性能测试实验台,利用控制变量法研究分析不同入口风速对出口空气温度、湿度、压降、凝水生成量等参数的变化规律,计算换热器表面凝水生成速率、凝水排除速率、换热量和空气侧传热系数,从而分析表面凝排水特性及其对换热性能的影响.实验结果表明,风速对微通道换热和流动特性影响显著.出口空气温度和空气侧压降均随风速的提高而增加,压降增幅随风速的增加有所减缓.风速为2.5m/s时,换热量和空气侧传热系数最佳.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】6页(P48-53)【关键词】微通道换热器;表面凝水;换热效率;实验研究【作者】陈华;李戈;杨杭;李明瑞【作者单位】天津商业大学机械工程学院天津300134;天津市制冷技术重点实验室天津300134;天津商业大学机械工程学院天津300134;天津市制冷技术重点实验室天津300134;天津商业大学机械工程学院天津300134;天津市制冷技术重点实验室天津300134;天津商业大学机械工程学院天津300134;天津市制冷技术重点实验室天津300134【正文语种】中文【中图分类】TB6631 引言工业生产中，为了工业流程的需要，往往进行各种不同方式的热量变换，换热器就是用来实现上述热量交换与传递的设备。
微通道换热器相比于传统换热器减重68%，在同等的换热量下，由于其高传热系数，能够设计成更小、更轻的机组，且在相同换热能力下，微通道换热器内部腔体容积小于普通换热器，故微通道换热器内制冷剂的充注量小于普通换热器。
当微通道换热器在家用空调或者商用空调的应用中经常会出现结露的情况，结露现象从一定程度上降低了微通道换热器的换热效率。
在换热方面，韩赛赛等[1]人采用数值模拟方法对平行流换热器的换热性能进行了分析，比较了空气侧风速和水流量对其换热量和流动阻力的影响.模拟结果表明：在增加相同百分比的情况下，增加空气侧风速比增加水流量对换热器换热量的影响大16%左右。
微通道换热器流体流动传热研究
微通道换热器流体流动传热研究刘庆荣，山东豪迈化工技术有限公司摘要:微小型化是当代科技发展的重要方向之一。
近些年来微小通道紧凑式产品在汽车、宇航、电子和制冷等行业内的应用越来越广，但是对于微小型通道内的流动传热机理等问题仍然还存在着很多争论，这方面的基础研究仍然处于初步阶段。
本文从流体流动角度总结了近年来学者对微通道内的流动和传热的研究成果，适当分析了不同结构的微通道内流动传热机理的差异。
为设计出比较适合的微通道产品，提供了流动特性的定性分析;引言微尺度科学中物质和能量的输运均发生在一个受限的微小结构内，而物质的输运和相互作用必然涉及到流动和能量的转换，据热力学第二定律可知，任何不可逆过程中能量的耗散必然有一部分是以热的形式体现的。
因此，不仅在微通道中的流动、传热方面，对于其他所有微系统的设计及应用来说，全面了解系统在特定尺寸内的行为已经成为迫在眉睫的任务。
一般来讲，所谓“微尺度”并没有严格的界定，只是一个相对大小的概念。
随着研究对象的不同，出现微尺度效应的空间尺度范围也不相同。
通常所指的空间微尺度是跨越微米到原子尺度的宽广范围:微米—亚微米—纳米—团簇—原子。
在微尺度中的流动和传热的规律已明显不同于常规尺度条件下的流动和传热，换言之，当研究对象微细到一定程度以后，出现了流动和传热的尺度效应。
目前需要着重讨论研究的是尺度微细化后出现的力学、热学等现象和规律的变化，以及微细到什么程度才出现变化等。
尺度效应中下列情况值得注意:（1）由于尺度的微细，面体比增大，从而使表面作用增强，表面作用包括粘性力、表面张力和换热等。
（2）对于微尺度的物体，流动和传热的边缘效应和端部效应特别明显，其三维效应不能忽略，所以一般情况下，微细尺度物体不能简化为二维、一维问题来处理。
1.通道结构型式根据常规换热器的结构以及微通道换热器研究的文献资料，微通道换热器结构形式可以归纳为两种:一是单一通道（类似于蛇形盘管，不需要对流体工质进行分液处理，如图1)，二是并排通道(须考虑对流体工质的分配问题)。
新型微通道换热器热性能研究
新型微通道换热器热性能研究新型微通道换热器热性能研究摘要：本研究主要目的在于探讨新型微通道换热器的热性能。
首先介绍了微通道换热器的基本原理和应用领域，然后详细分析了微通道换热器的传热机理，并提出了改进设计方案以提高其热性能。
通过实验测试，对比了新型微通道换热器和传统换热器的热性能，并对结果进行了分析和讨论。
研究结果表明，新型微通道换热器能够有效地提高传热效率和换热能力，具有较高的应用潜力。
1. 引言微通道换热器作为一种新型换热设备，具有体积小、传热效率高等优点，在航天、汽车、船舶、电子器件等领域具有广泛的应用前景。
其独特的结构设计和传热机理使得微通道换热器在提高能源利用率和降低环境污染方面具有重要意义。
因此，研究微通道换热器的热性能对于推动相关技术的发展具有重要意义。
2. 微通道换热器的传热机理微通道换热器的传热机理主要包括对流传热和相变传热两种形式。
首先是对流传热，微通道内流体由于与通道壁面的摩擦产生热量，从而实现热的传递。
其次是相变传热，即液体在通道内蒸发或凝结产生的相变热量。
这种传热机理使得微通道换热器能够实现高效的传热，但也存在一定的挑战，如流动阻力增大、传热面积减小等问题。
3. 新型微通道换热器的设计与改进为了提高微通道换热器的热性能，本研究提出了一种新的设计方案。
首先是通过调整微通道的形状和尺寸来优化流体流动路径，减小流动阻力，并提高传热效果。
其次是利用纳米技术在微通道壁面上制备高效的传热膜，增加换热面积，提高传热效率。
最后，结合相变传热机理，研究新型微通道换热器在相变过程中的传热机制，以实现更高的热传导率和换热能力。
4. 实验测试与结果分析本研究通过设计并搭建了实验平台，对比测试了新型微通道换热器和传统换热器的热性能。
实验参数包括流速、进出口温度差等。
实验结果显示，新型微通道换热器在相同实验条件下能够获得较高的传热效率和换热能力。
通过分析和对比，研究发现新型微通道换热器的热性能与微通道形状、尺寸、壁面材料等因素密切相关。
微通道平板集热器的传热与流动分析
微通道平板集热器的传热与流动分析微通道平板集热器是一种高效的热交换装置，广泛应用于空气冷却系统、电子设备散热系统、太阳能集热系统等领域。
它利用微通道的优势，能够实现较大的传热面积和较高的传热效率。
本文将重点讨论微通道平板集热器的传热与流动分析。
首先，我们需要了解微通道平板集热器的结构和工作原理。
微通道平板集热器由一系列细小的通道组成，这些通道的尺寸通常在微米级别。
通过微通道平板集热器内部的流体完全接触和均匀分布，使热量能够快速传递，从而实现高效的传热。
在微通道平板集热器的传热分析中，最重要的参数之一是传热系数。
传热系数是衡量传热效率的指标，与流体的热导率、流动速度、通道尺寸等因素密切相关。
较高的传热系数意味着更高的传热效率。
因此，我们需要分析并优化这些影响传热系数的因素。
首先，通道尺寸对传热系数的影响非常显著。
较小的通道尺寸可以增加单位面积上的通道数量，从而增加传热面积，提高传热效率。
然而，过小的通道尺寸也会导致流体的流动阻力增加，影响传热效果。
因此，在微通道平板集热器的设计中，需要综合考虑通道尺寸与传热效率之间的平衡。
其次，流体的流动速度对传热系数同样有重要影响。
较高的流动速度可以增加流体与微通道间的换热面积，加快传热速度，提高传热系数。
然而，流体流动速度过高也会增加能量损失，并且可能导致流动不稳定。
因此，在微通道平板集热器的设计中，需要优化和控制流体流动速度，以达到最佳传热效果。
除了通道尺寸和流动速度外，流体的热导率也是影响传热系数的重要因素之一。
热导率较高的流体能够更快速地吸收和传递热量，提高传热效果。
因此，在微通道平板集热器的应用中，选择热导率较高的流体能够显著提升传热效率。
此外，微通道平板集热器的传热与流动分析还要考虑流体与平板之间的热阻。
热阻表示流体在单位面积上流动时，对传热的阻碍程度。
热阻越小，传热效率越高。
降低热阻的方法包括增加流体的流动速度、优化通道尺寸和形状，以及选择高导热性能的材料。
《微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着微纳科技的飞速发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究已成为科研领域的热点之一。
微管道内流体的流动和传热行为直接关系到众多工程应用领域，如微电子冷却、生物医药传输、能源存储等。
而纳米流体的引入，由于其出色的热物理性质和导热性能，显著地提升了传统流体的传热效果。
本文将详细阐述微管道中纳米流体的流动特性和传热机理，旨在为相关研究提供理论基础和实践指导。
二、微管道中纳米流体的流动特性在微尺度下，纳米流体的流动特性与宏观尺度下的流体有所不同。
首先，由于纳米粒子的存在，纳米流体具有更高的粘度，这使得流动阻力增大。
然而，在微管道中，这种增大的阻力反而有助于提高流体的层流性，减少湍流的发生。
此外，纳米粒子的布朗运动也会对流动产生影响，使得流体在微管道中的流动更加复杂。
针对上述问题，我们采用分子动力学模拟和实验研究相结合的方法，对微管道中纳米流体的流动特性进行了深入探究。
研究结果表明，在一定的雷诺数范围内，纳米流体的流动表现出较好的层流性。
此外，随着纳米粒子浓度的增加，流动的阻力也会逐渐增大。
三、微管道中纳米流体的传热机理纳米流体在微管道中的传热机理主要涉及两个方面：一是纳米粒子的导热作用；二是流体与管道壁面的热交换。
由于纳米粒子具有较高的导热系数，它们在流体中能够有效地传递热量。
同时，在微尺度下，流体与管道壁面的热交换也更加迅速。
我们通过实验和数值模拟的方法，对微管道中纳米流体的传热性能进行了研究。
结果表明，在一定的流量和温度条件下，纳米流体的传热性能明显优于传统流体。
此外，我们还发现纳米粒子的浓度、粒径以及流体流动状态等因素都会对传热性能产生影响。
四、影响因素及优化策略影响微管道中纳米流体流动和传热的因素较多，主要包括纳米粒子的浓度、粒径、形状、表面电荷等。
此外，流体的流速、温度、压力等也会对流动和传热性能产生影响。
针对这些问题，我们可以采取一系列优化策略来提高纳米流体的性能。
《2024年微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着微纳科技的飞速发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究逐渐成为科研领域的热点。
微管道由于其独特的小尺度效应，对流体流动及传热特性产生显著影响，尤其是在加入纳米粒子后形成的纳米流体，其热导率及流动性都得到显著增强，为许多领域如微电子冷却、生物医学、能源开发等提供了新的可能性。
本文将围绕微管道中纳米流体的流动及传热展开研究，分析其特性与影响。
二、微管道中纳米流体的流动特性在微管道中，纳米流体的流动特性与常规流体有着显著差异。
纳米流体的流动性增强主要源于纳米粒子的高导热性及流体的纳米尺度效应。
纳米粒子的加入可以有效地减小流体分子间的摩擦力，从而提高流体的流动性。
同时，在微管道中，由于尺度效应，流体的速度分布、流动状态等都受到较大影响。
2.1 速度分布与流动状态在微管道中，纳米流体的速度分布与常规流体有所不同。
由于纳米粒子的存在，流体在微管道中的流动更加均匀，速度梯度减小。
此外，纳米流体的非线性流动特性在微管道中表现得更为明显，对流体的传输效率及稳定性有着重要影响。
2.2 摩擦力与泵送功率由于纳米粒子的高导热性及良好的润滑性，纳米流体在微管道中的摩擦力减小，从而降低了泵送功率。
这为许多需要高效率、低能耗的领域提供了新的解决方案。
三、微管道中纳米流体的传热特性纳米流体的传热特性相较于常规流体有显著提高，这主要归因于纳米粒子的高导热性及纳米尺度的特殊效应。
在微管道中，这种优势更加明显。
3.1 热导率提升纳米粒子的加入可以显著提高流体的热导率，使流体在传热过程中具有更高的热传导能力。
此外，纳米粒子的布朗运动也能增强流体的热传导效果。
3.2 传热速度与效率由于微管道的特殊结构，纳米流体在其中的传热速度更快，传热效率更高。
同时，纳米流体的均匀流动性使得热量能够更快速地在流体中传递，降低温度梯度。
四、影响纳米流体流动及传热的因素影响微管道中纳米流体流动及传热的因素众多，包括纳米粒子的种类、浓度、粒子大小及形状、微管道的结构及尺寸等。
微通道内流动沸腾换热特性实验研究
制 冷技 术
Ｒｅ ｆ ｒ ｉ ｇ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｃ ｒ ｙ ｏ ． ＆Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｄ
Ｖｏｌ ＿ ４ ４ Ｎｏ． １ ２ 第４ ４卷第１ ２期
微 通 道 内流 动 沸 腾 换 热 特 性 实 验 研 究
田 茹
（ 包 头轻工职业技术学院 ， 包头 ０ １ ４ ０ ３ ５ ） 摘要 ： 采用 实验 方法 对制冷剂 Ｒ １ ３ ４ ａ 在 内径 为 １ ． ９ ８ ａｍ的水平 光滑铜管 内的流动 沸腾换热特 性进行研 究。试 ｒ 验中 ， 质量 流速 范围 ７ ２ ０～ ９ ０ ０ ｋ ｇ ／ （ ｍ ・ ｓ ） ， 热流密度范 围 １ ９— ２ ８ ｋ Ｗ／ ｍ ， 系统 压力 ０ ． ７ ＭＰ ａ和 ０ ． ８ １ ＭＰ ａ （ 饱和温 度 为２ ６ ． ８ ℃、 ３ １ ． ４ ℃） 和干度 范围 ０～ ０ ． ６ ５ 。结果表 明 ： 质 量流速 对换热 系数 的影响较 大 ， 随着质 量流速 的增 大而增 大； 在低干度 区 ， 热流密度对换热 系数 的影 响较 大 ， 换热 系数 随干度 的增加 近似成单 调增加 ； 系统压力 对换热 系数 也有 明显 的影 响； 将 试验结果与 Ｓ ｕ ｎ—Ｍｉ ｓ ｈ ｉ ｍ ａ公式 和 Ｌ ｉ ｕ—Ｗｉ ｍ ｅ ａ ｏ ｎ公式进 行 比较 ， 发 现试验 结果 与 Ｓ ｕ ｎ—Ｍ ｉ ｓ ｈ —
ｉ ｍ ａ公式计算值 吻合度较 高 ， 最大误差为 １ ４ ． １ ％。
关键词 ： 微通道 ； 沸腾两相流 ； 换热系数 ； Ｒ１ ３ ４ ａ
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ６ ７ １ １ ／ ｊ ． １ ０ ０ １ —７ １ ０ ０ ． ２ ０ １ ６ ． １ ２ ． ０ １ ８
微流道内流体流动特性和传热性能研究
微流道内流体流动特性和传热性能研究微流道散热器的结构紧凑、比表面积大,因此散热效率高,可以满足电子芯片日益增长的散热需求,现已被广泛应用于微机电系统中。
微流道作为散热器内部介质输运的载体,研究其流动和传热性能对微流道散热器的结构设计和散热效率的提高具有重要意义。
由于微流道的尺寸在微米级,在宏观尺寸流道的研究中可以忽略的表面质量等因素对微流道内的性能会产生较大影响,必须加以考虑。
本文主要从微流道的表面粗糙度、表面微结构和流动介质三个方面开展流动性能和传热性能的研究。
首先,基于分形几何法,建立矩形微流道的内表面粗糙度模型。
采用微注塑成型法,制作多种尺寸的微流道,并采用共聚焦显微镜进行微流道底面粗糙度的测量,显示粗糙度尺度在微米级,与流道尺寸在同一数量级,因此粗糙度对微流道内流动和传热性能的影响不能被忽略;利用分形几何法,建立微流道内表面粗糙度模型,并与粗糙度的测量结果进行比较,误差在10%以内。
其次,研究微流道底面粗糙度对流动和传热性能的影响,揭示表面粗糙度与微流道内流动和传热性能参数的内在关系。
通过改变分形参数建立不同表面粗糙度的微流道模型,借助数值仿真和实验相结合的方法,研究小雷诺数时流道尺寸、表面分形维数以及表面相对粗糙度对摩擦因数f、底面平均温度Tave以及平均努塞尔特数Nuave等微流道内流动和传热性能参数的影响。
结果表明,表面粗糙度可以提高微流道内的传热性能,并且粗糙度越大,流动性能越差、传热性能越好。
然后,研究微流道底面微结构对流动和传热性能的影响,揭示微结构参数与微流道内流动和传热性能参数之间的内在联系。
建立底面带有微结构的微流道三维模型,借助数值仿真和实验相结合的方法,研究微结构的类型(立方体形、圆柱形、圆锥形)和高度(4-6μm)对微流道内的摩擦因数f、底面平均温度Tave以及平均努塞尔特数Nuave等流动和传热性能参数的影响。
结果表明,微结构的类型和高度均会影响流动和传热性能;随着微结构高度的增加,流动性能被削弱,传热性能被增强;立方体形、圆柱形、圆锥形微结构都能促进微流道内的传热性能,其中圆柱形微结构对传热性能的提升效果最优,在所研究工况下4μm高圆柱形微结构具有最优的水-热综合性能。
《2024年微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言在科技日益发展的今天，微纳米技术的发展与纳米科学技术的广泛应用正引发科研人员极大的关注。
这其中，关于微管道中纳米流体流动与传热的研究尤为重要。
微管道的尺度缩小为纳米级别，为流体的流动与传热提供了全新的研究平台。
本文旨在深入探讨微管道中纳米流体的流动特性及其传热机制，为进一步优化微纳流体技术提供理论支持。
二、微管道中纳米流体的流动特性1. 纳米流体的定义与特性纳米流体是一种新型的流体材料，其基本特性在于其内部含有纳米级别的固体颗粒。
这些颗粒的尺寸远小于传统流体的颗粒，因此具有独特的物理和化学性质。
在微管道中，这些纳米颗粒的分布和运动对流体的整体流动特性产生重要影响。
2. 流动特性分析在微管道中，由于尺度效应和表面效应的作用，纳米流体的流动特性与传统的流体有很大的差异。
流体的速度分布、粘度变化、剪切力分布等因素均需重新考量。
研究人员利用高精度的实验设备与计算流体动力学模型（CFD）等手段，对这些特性进行深入的分析和研究。
三、微管道中纳米流体的传热机制1. 传热特性的影响因素微管道中的纳米流体由于其高比热容和优良的热导率，具有显著的传热特性。
其传热性能受多种因素影响，包括纳米颗粒的种类、大小、形状以及浓度等。
此外，流体的流动状态和微管道的材质和结构也对传热效果有重要影响。
2. 传热机制的研究方法研究人员通过实验研究和数值模拟两种方式对微管道中纳米流体的传热机制进行研究。
实验研究通过观察和分析流体的温度分布、热流密度等参数，揭示其传热机制。
数值模拟则通过建立复杂的物理模型，模拟流体的传热过程，从而预测和解释实验结果。
四、研究进展与展望随着科技的发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究已经取得了显著的进展。
研究者们通过多种方法，揭示了纳米流体在微管道中的流动特性和传热机制。
同时，新的研究方法和手段也不断涌现，如高精度测量技术的开发、新的数值模拟算法等，这些都为深入研究提供了强大的技术支持。
《微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着纳米科技的快速发展，纳米流体作为一种新型的传热介质，因其高导热性、良好的稳定性和较大的比表面积等特性，在微管道流动与传热领域得到了广泛的研究和应用。
微管道中纳米流体的流动及传热研究，不仅有助于理解纳米流体在微观尺度下的流动规律和传热机制，还能为纳米流体的实际应用提供理论依据和技术支持。
二、微管道中纳米流体的流动特性1. 流动模型微管道中纳米流体的流动受多种因素影响，包括流体本身的物理性质、管道尺寸、形状以及流动条件等。
为了准确描述纳米流体在微管道中的流动特性，研究者们建立了多种流动模型。
这些模型主要基于纳米流体的导热系数、粘度等物理性质，以及微管道的几何尺寸和形状进行描述。
2. 流动特性分析在微管道中，纳米流体的流动特性主要表现为层流和湍流两种形式。
在层流状态下，纳米颗粒在流体中呈现有序排列，有利于提高传热效率。
而在湍流状态下，纳米颗粒的随机运动增强了流体与管道壁面的热量交换。
此外，纳米流体的粘度、表面张力等物理性质也会对流动特性产生影响。
三、微管道中纳米流体的传热特性1. 传热机制微管道中纳米流体的传热机制主要包括对流换热和导热。
对流换热主要发生在流体与管道壁面之间，而导热则主要发生在纳米颗粒之间以及纳米颗粒与流体之间的热量传递。
此外，纳米流体的高导热性和较大的比表面积也有助于提高传热效率。
2. 传热特性分析纳米流体的传热特性受多种因素影响，包括纳米颗粒的种类、浓度、大小以及形状，流体的物理性质（如导热系数、粘度等），以及微管道的几何尺寸和形状等。
通过实验和数值模拟等方法，研究者们发现纳米流体的传热性能在一定范围内随着纳米颗粒浓度的增加而提高，但当浓度过高时，纳米颗粒之间的团聚现象会降低传热效率。
四、研究方法及进展1. 实验研究实验研究是微管道中纳米流体流动及传热研究的重要手段。
通过搭建实验平台，研究者们可以观察纳米流体在微管道中的流动状态，测量传热性能等相关参数。
微通道板换热技术研究及应用
微通道板换热技术研究及应用微通道板换热技术是一种新型换热方式，其狭窄的流道和大面积流动使得微通道板有较高的传热效率和换热能力。
在工业生产和生活中，热传递是一个非常关键的问题，微通道板换热技术的应用能够有效地解决传统换热设备的一些问题，因此它的发展成为了一个研究热传递的热门领域。
1. 微通道板换热技术的原理微通道板是一种具有多孔结构的板状材料。
当流体在微通道板内流动时，流体会与微通道板壁面接触，因此会在微通道板中发生传热作用。
微通道板内的流道尺寸通常在微米到毫米级别之间，因此受到一些微观效应的影响。
同时，流体在微通道板中流动时，受到壁面的影响，形成剪切层和非均匀流动状态。
这些微观效应和非均匀流动状态对微通道板的传热性能产生了影响，在优化微通道板结构时需要考虑到这些因素。
2. 微通道板换热技术的主要优点相比传统的换热器，微通道板换热技术有以下几个主要的优点：(1) 体积小、重量轻：微通道板的流道结构小而密，可以在相对较小的空间内实现高效的传热，因此微通道板换热技术的设备大小和重量都比传统的换热器小很多。
(2) 高效节能：微通道板内的流体流动状态非常稳定，因此换热效率高，能够实现对能源的更加有效利用，进而实现节能目的。
(3) 速度快：由于微通道板内的流体流动状态非常稳定，所以流体的速度比较快，从而可以在单位时间内完成更多的热传递。
(4) 可定制性强：微通道板的制造工艺比较灵活，可以根据不同的需求定制不同的微通道板结构。
3. 微通道板换热技术的应用微通道板换热技术已被广泛应用于航空航天、汽车制造、化学工程、电子设备和热管理等领域。
以下是一些典型应用：(1) 电子设备：微通道板可以被用来冷却电子设备，比如CPU、GPU和芯片等。
由于微通道板换热的快速、高效和体积小等特点，可以在需要高性能冷却的电子设备中发挥重要作用。
(2) 化学工程：微通道板换热技术可以被用来在化学反应中控制反应温度，对反应设备进行冷却和加热，在很多化学过程中起到关键的作用。
微小流通道气体传热与流动特性的模拟研究
微小流通道气体传热与流动特性的模拟研究近年来，随着微电子技术、纳米技术等发展，微小流道作为一种新型的传热器件，在高功率电子器件、空调、汽车发动机等领域有着广泛的应用。
由于微小流道的特殊结构和尺寸，其传热和流动特性与传统流道存在较大差别，需要进行深入研究。
本文将重点探讨微小流通道气体传热与流动特性的模拟研究。
一、微小流通道气体传热的模拟研究微小流通道中气体传热主要通过对流和辐射传热机制进行，其中对流传热是主要的传热机制。
微小流道中，由于与墙面的接触面积相对较大，导致传热路径变长，传热效率降低。
此外，微小流道中气体流动的高速度还会导致气体局部凝聚和流动发生变化，这些因素都会影响气体的传热性能。
因此，为了研究微小流道中气体的传热特性，目前主要采用数值模拟方法。
这种方法通过对微小流道内气体的实际运动状态进行数值模拟，评估气体的传热和流动性能。
在模拟过程中，需要考虑微小流道尺寸、气体性质、墙面热辐射等各种因素，需要建立完整的数学模型。
一方面，模型的建立需要考虑流道的几何形状和尺寸，需要对微小流道进行网格划分；另一方面，气体的特性也需要纳入考虑，如气体的密度、流动状态和温度分布等。
基于这样的模拟方法，已经对气体在微小流道中的传热特性进行了广泛的研究。
其中包括传热系数、温度分布、流体速度分布和流体压力分布等。
这些研究结果为微小流道的设计和优化提供了科学的依据。
二、微小流通道气体流动特性的模拟研究除了传热特性外，微小流通道中的气体流动特性也是研究的重点。
微小流道内的气体流动主要受到密度、速度、流量、壁面摩擦、气体介质的性质等多种因素影响。
相对于传热特性，微小流道中气体流动特性的模拟研究更加复杂，需要考虑更多的细节，如壁面边界条件、气体湍流特性等。
在数值模拟中，需要采用较为复杂的流体力学模型，如紊流模型、壁面函数模型、湍流模型等。
通过数值模拟，可以得到微小流道内的气体的速度、压力、密度分布以及湍流耗散等信息。
这些信息可用于仿真微小流道的设计和优化，如改变微小流道的结构尺寸、改变气体性质等。
微通道换热器流动和传热特性的研究
低 温技 术
Ｃｒ ｏ ｅ ｉ ｓ ｙ ｇ ｎｃ
Ｃ ｙ ． Ｓ ｐ ｒ ｏ ｄ ｒｏ ＆ ｕ ｅｃ ｎ ． Ｖ０． ６ Ｎ ． ０ １３ ｏ １
微 通 道 换 热 器 流 动 和 传 热特 性 的研 究
杨 海明， 朱魁 章，张继宇 ， 萍 杨
（ 国电子科技集团公司第 十六研究所 ， 中 合肥 ２ ０４ ） ３ ０ ３
Ｙａ ｇ Ｈａ ｍｉ ｇ ｈ ｉｈ ｎ ｎ ｉ ｎ ，Ｚ ｕ Ｋｕ ｚ ａ ｇ，Ｚ ａ ｇ Ｊｙ ｈ ｎ ｉｕ，Ｙａ ｇ Ｐ ｎ ｎ ｉｇ
（ ｈ ６ｈＲ ｓａ ｈＩｓｔｔ ｏ Ｅ Ｃ， ｆｉ ３ ０ ３ Ｃ ｉａ Ｔ ｅ１ ｔ ｅｅｒ ｎｔｕｅ ｆ Ｔ Ｈｅ ０４ ， ｈｎ ） ｃ ｉ Ｃ ｅ２
ｏ ｎ ｕｔｎ ｍｅ ａ ｅ ｒＲｅ ｓ ｉ ｕ ｒｌＲ ，Ｐ ａ ｄｌｎ ｅ ａ ｄ Ｎ ｓｅ ｔｎ ｍｅ ａ ｒ ｂ ａｎ ｄ ａ ｄ ａ ａ ｙ ｅ ． ｒｎ ｔ ｍｎ ｒ ｌ Ｐｒａ ｕ ｓ ｌ ｕ ｒ ｌＮｕ ｗｅ ｅ ｏ ｔ ｉ ｅ ｎ ｌｓ ｄ ｎ ｎ
摘要 ： 通过对微通道换热 器流 动和传热特性 的研 究 ， 设计 了实验 方案 并建立 了相应 的实验 装置 ， 结合 流动 、 传
热特性的相关准则 ， 得出了雷诺数 Ｒ 一 ｅ 摩擦 系数 雷诺 数 Ｒ 、 ｅ 普郎特数 Ｐ 一 ｒ 努谢 尔特数 ＾ 间关系 的实验模 型 ， 并
对该模型进行 了分析 。
关键词 ： 微通道换热 器 ； 流动特性 ；传热 特性 ； 实验模 型
Ｓｔ ｙ ｏｎ ｔ ｏ ａ ａ ｕｄ ｈｅ ｆ ｗ ｎｄ ｈｅ ｔ—ｔａｎ ｆ ｒ ｐｒ ｐ ｒ ｉｓ ｏ ｃ ｏ ｈａ ｅ ａ ｌ ｒ ｓｅ ｏ ｅ ｔｅ ｆ ｍｉ ｒ ｃ ｎｎ ｌｈｅ ｔ—ｅ ｃ ｎｇ ｒ ｘ ｈａ ｅ
微机电系统中的流体流动与传热特性研究
微机电系统中的流体流动与传热特性研究微机电系统（Microelectromechanical Systems，简称MEMS）是一门涉及多学科的领域，综合了微电子技术、机械工程和流体力学等学科知识。
在这个领域中，流体流动与传热特性研究是非常重要的一部分。
一、概述微机电系统中的流体流动与传热特性研究是为了解决微尺度下流体流动和传热的问题。
由于微机电系统的尺度非常小，对流体流动和传热的机理和特性有着独特的影响。
因此，深入研究微机电系统中的流体流动和传热特性，对于改进微机电系统性能、提高其稳定性和可靠性具有重要意义。
二、微尺度流体流动特性微机电系统中的流体流动通常发生在微孔、微通道等微型结构中。
与宏观尺度下的流体流动不同，微尺度流体流动主要受到表面张力、毛细作用和静电作用等微观尺度的影响。
此外，流体的黏性、速度梯度和流动模式也对微尺度流体流动特性起着重要作用。
三、传热特性的研究在微机电系统中，由于流体流动速度较小、流道尺寸较小以及高比表面积的特点，传热的方式也与宏观比较有所不同。
微机电系统中的传热主要通过传导和对流来实现。
而且，由于流道尺寸的减小，传热的表面积增大，从而提高了传热效率。
然而，由于微尺度下流体流动和传热的复杂性，传热特性的研究还存在一些挑战，需要进一步深入的研究。
四、应用领域微机电系统中的流体流动和传热特性研究在许多领域中具有广泛的应用。
例如，在微通道换热器中，利用微尺度下的流体流动和传热特性，可以提高换热效率，进一步应用于电子设备的散热系统中，提高设备的稳定性和可靠性。
此外，微机电系统中的流体流动和传热特性研究还在生物医学、环境监测、化学反应等领域中发挥着重要的作用。
五、未来挑战和研究方向虽然在微机电系统中的流体流动和传热特性研究已经取得了一些进展，但仍然面临一些挑战。
随着微尺度下流体流动和传热研究的不断深入，我们需要更好地理解微尺度下流体流动和传热的机理，开发更精确的数值模型和实验方法，以推动这个领域的发展。
微通道论文：微通道内液体流动和换热特性的数值模拟研究
微通道论文：微通道内液体流动和换热特性的数值模拟研究【中文摘要】随着微型化逐渐成为科学研究和工程应用的一个重要趋势,其中涉及的微尺度通道内的流动问题越来越被重视。
各种微元器件在生物、医药、航天、机械以及电子等各个领域广泛应用,微通道内液体的流动摩擦阻力和传热系数等的大小将直接影响微通道性能,进而影响微元器件的工作性能,但是微通道内流动和换热等方面仍缺乏成熟的理论和可靠的实验。
本文的工作旨在将微尺度液体流动通过数值模拟的方法展现出来,分别对微通道内流动和传热特性等进行有效的预测,以指导和优化不同功能微通道的设计,加深和拓宽微尺度流动在工程领域的应用。
基于连续介质方法数值模拟了液体在不同结构微通道内的流动状况,从截面形状、当量直径、壁面粗糙度和微通道长度等方面对通道内液体流动的摩擦系数和泊肃叶数的变化进行了分析,并将模拟结果与相同模型的实验结果和宏观流动中的经验理论相比较。
通过摩擦系数随雷诺数的变化曲线得到微通道内流动的转捩雷诺数或者过渡状态存在的雷诺数范围,微尺度通道的截面直径会改变过渡状态存在的雷诺数范围;粗糙度会影响湍流状态下流动的摩擦系数。
对比不同几何尺寸下的流动泊肃叶数,存在某一临界当量直径以及临界宽高比,当量直径或宽高比大于临界值时其对泊肃叶数没有影响。
...【英文摘要】With the miniaturization has been gradually popular in the investigation and application, the microflowinvolved is also been put on an important position. The flow and heat transfer properties of the liquid flow in microchannels affect the performance of microchannels directly and then the performance of the microdevices. The microdevices are widely used in the biology, medicine, aerospace, mechanical and many other fields, while the reliable theory and experiment are short in the flow and heat transfer of...【关键词】微通道数值模拟几何尺寸边界滑移【英文关键词】microchannel numerical simulation geometry characters boundary slip【目录】微通道内液体流动和换热特性的数值模拟研究摘要4-5Abstract5-6第1章绪论9-17 1.1 引言9-10 1.2 微通道内液体流动的研究历史与现状10-15 1.2.1 微通道几何构型对传热传质的影响10-12 1.2.2 微通道表面性质对传热传质的影响12-14 1.2.3 流动介质的性质对传热传质的影响14-15 1.3 本课题的主要研究内容15-17第2章微尺度流动的基本理论及模拟方法17-27 2.1 引言17 2.2 微尺度液体流动的特性17-19 2.2.1 尺度效应17-18 2.2.2 边界滑移18-19 2.2.3 动电效应19 2.2.4 液体黏性19 2.3 微尺度液体流动的主要模拟方法19-24 2.3.1 连续介质方法20-22 2.3.2 分子动力学方法22-24 2.4 CFD-ACE+软件简介24 2.5 本章小结24-27第3章不同结构微通道内液体流动性能的数值模拟27-43 3.1 引言27 3.2 计算模型27-29 3.3 微通道内的液体流动状态29-33 3.4 雷诺数和微通道性质对流动摩擦系数的影响33-39 3.4.1 雷诺数对流动摩擦系数的影响33-36 3.4.2 微通道性质对流动摩擦系数的影响36-39 3.5 几何结构对流动泊肃叶数的影响39-41 3.6 小结41-43第4章矩形截面微通道内液体传热性能的数值模拟43-55 4.1 引言43 4.2 计算模型与验证43-45 4.2.1 计算模型43-44 4.2.2 模型验证44-45 4.3 微通道几何参数对液体传热性能的影响45-49 4.3.1 影响传热性能的几何参数的确定46 4.3.2 微通道几何参数对努塞尔数的影响46-49 4.4 微通道各参数与传热努塞尔数的关系拟合49-53 4.4.1 Nu 与Re 间的关系方程拟合49-51 4.4.2 Nu-Re 方程系数的拟合51-52 4.4.3 拟合方程验证52-53 4.5 小结53-55第5章考虑边界滑移和液体温黏关系的微尺度流动55-71 5.1 引言55 5.2 边界滑移对液体微流动的影响55-63 5.2.1 计算模型55-58 5.2.2 数值模拟结果分析58-63 5.3 液体温黏关系对液体微流动的影响63-69 5.3.1 计算模型63-66 5.3.2 数值计算结果分析66-69 5.4 小结69-71结论71-73参考文献73-79附录A 边界滑移子程序79-87附录B 温黏关系子程序87-93攻读硕士学位期间所发表的学术成果93-95致谢95。
微通道散热器流道优化与传热性能研究
摘要摘要随着微电子元器件趋于向集成化、大功率方向发展，高发热量必将严重降低其使用性能和可靠性，导致元器件内部结构破坏、形变、功能失效等。
面对这一现状，散热设计已成为针对电子器件结构设计的关键环节。
因此，对于通过液冷冷却方式带走热量的微通道散热器设计在该领域凸显而出，其体积小、成本低、效率高等特点不仅能满足散热需要，而且运行稳定可靠。
本文研究了矩形微通道散热器的结构尺寸优化与流动传热性能，具体工作包括：（1）针对矩形微通道散热器单一因素对结构参数的影响研究，得到了各因素对散热器表面结温影响的主次顺序：微槽个数>基底厚度>槽栅宽度>微槽高度>微槽宽度；以各项单一因素的影响为依据，运用正交试验法得到离散型优化结果：微槽高度为1mm，微槽宽度为0.5mm，槽栅宽度为0.8mm，微槽个数为21，基底厚度为0.5mm。
（2）根据单层微通道结构及数学模型，建立微通道热阻网络模型，并以整体热阻和压降作为目标函数进行多目标优化设计，得到热阻加权系数ω1介于0.2~0.4时能同时兼顾各项指标，相应的优化结构尺寸为N=25~32，b=0.62~0.85mm，c=0.22mm，a=1.3mm，t=0.2mm；从实际材料成本的角度出发，以热阻和重量作为目标函数得到热阻加权系数ω1介于0.4~0.6时各项指标最优，相应的优化尺寸为N=20~29，b=1.12~0.75mm，c=0.2mm，a=1.3mm，t=0.2mm，提供了一种最优材料成本的选择方案。
（3）对优化所得的离散组和连续组流道模型进行仿真模拟并与初始组模型进行分析对比，从各组模型的换热特性、流动性能以及综合性能进行详细的分析对比，无论是在温度分布的高与低或分布均匀性，还是流体流动稳定性，或是单位热阻和所需驱动泵功率上，离散组和连续组流道模型的散热效果均优于初始组流道模型；针对不同环境分别研究了改变底部加热热流密度和流体进口温度的影响；引入JF因子作为对综合换热性能的评判标准，并根据仿真数据拟合出了计算平均努塞尔数Nu的经验公式。
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微通道换热器流动和传热特性的研究
微通道换热器流动和传热特性的研究
杨海明朱魁章张继宇杨萍
(中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043)
摘要：通过对微通道换热器流动和传热特性的研究,设计了实验方案并建立了相应的实验装置,结合流动、传热特性的相关准则,得出了雷诺数Re-摩擦系数f,雷诺数Re、普郎特数Pr-努谢尔特数Nu间关系的实验模型,并对该模型进行了分析。
关键词：微通道换热器;流动特性;传热特性;实验模型
1引言
通道式换热器是利用传热学原理将热量从热流体传给冷流体的,冷热流体分别在固体壁面的两侧流过,热流体的热量以对流和传导的方式传给冷流体。
由于它结构紧凑、体积小、换热效果好,已广泛应用于红外探测、电子设备、生物医疗等工程领域的冷却中。
然而随着现代科技水平的不断发展,被冷却的器件、设备其功能越来越强大,体积和重量越来越小,结构趋于复杂化,散热要求越来越苛刻,迫使采用通道式换热器的制冷器件向小型化、甚至微型化的方向发展,尤其是半导体激光器、T/R收发组件、微电子集成器件等电子仪器、设备对这方面的要求更高,于是微通道换热器(特别是微型节流制冷器MMR)的研制开发已迫切地提到了议事日程上来。
所谓微通道换热器即是采用拉丝或光刻等技术在金属、玻璃等基材上刻出几十至几百微米的细微槽道来构成换热器的壁面,再采用焊接或胶粘等方式形成封闭腔体来进行冷热流体的热交换,达到制冷的目的。
国外对微通道换热特性的研究较多,但主要是进行直线微通道换热器特性的研究,早期关于其流动问题的研究是在微型Joule-Thomson制冷技术中完成的,由美国斯坦福大学利特尔(W.A. Little)教授发明,采用现代半导体光刻加工技术, 在微晶玻璃薄片上刻出几微米到几十微米的细微直线槽道,并采用胶粘技术构成气流的微型换热器、节流元件和蒸发器,从而获得了一种结构新颖的微型平面节流制冷技术以及一定的成果和专利。
目前已经开发成微型制冷器,用于低温电子器件的冷却,产品照片如图3所示。
2流动、传热特性的相关准则
2.1研究内容
(1)直线微通道换热器流动的理论研究
根据国外已经研究的光滑直线微通道换热器的流动特性的换算法则:层流时管流摩擦系数与雷诺数的乘积为一定值,它与矩形截面的尺寸比有关,在保持换热效率和压力降不变的前提下,得出了微通道尺寸、长度与流量的关系,以及摩擦系数f的计算。
在直线微通道换热器的基础上,研究微通道的结构尺寸、压力等因素对流动摩擦因子和压力降的影响,根据动量传输和能量传递的比拟理论,利用阻力系数推算换热系数、雷诺数比拟,通过实验来进行直线微通道换热器中流动特性研究。
(2)直线微通道内的对流传热特性
利用直线微通道的特点,建立玻璃微通道试验模型,在直线微通道换热器的基础上,测量流动气体的温度变化、研究其对流传热特性。
2.2流动、传热特性的相关准则
要进行微通道换热器流动和传热特性的研究,就需要找到气体在微通道换热器中流动时雷诺数Re-摩擦系数f的对应关系(流动特性)、雷诺数Re、普朗特数Pr-努谢尔特数Nu(传热特性)的对应关系,而这些对应关系只能通过相关准则及通过实验测量气体流量、压力差及制冷功率等数据来推算。
现列出流动、传热特性的相关准则:
从上述准则可知,对于特定的微通道换热器、实验气体,我们只要通过实验测定出气体流量、压力差及制冷功率等数据,就可以推算出摩擦系数f、雷诺数Re、努谢尔特数Nu等值,进而找出它们之间的相互关系,得出微通道换热器的流动和传热特性。
3实验装置的设计
3.1实验方案的确定
在微通道换热器中,传热研究中的基本待测量主要为:温差、热流、热导率等,以及流体力学参量如流量、压强、粘度、摩擦系数等。
对这些参量在一定空间和时间范围内的测量,构成了流体和传热学研究的基础。
为了能精确地测量出微通道换热器中气体流量、压力差及制冷功率等数据,我们在消化吸收相关资料的基础上对微通道模型实验方案进行了设计,确定了微通道模型的实验方案框架。
整个实验方案的基本组成构思如下:
(1)高压气源模块:工作输出压力:70Mpa, 可调节输出压力;
(2)调压模块:调节输出压力:70Mpa,高压调压阀;
(3)输出模块:含有高压气动阀和电磁阀,实现自动控制;
(4)干燥模块:高压氮气进气干燥过滤,保证高纯瓶装氮气进气质量(CO2:≤2ppm,H2O:≤ 2ppm);
(5)压力监控模块:高压压力传感器两支与
(6)高压储气模块:高压缓冲罐,工作压力: 70MPa;
(7)高压流量模块:高压氮气流量传感器与二次仪表显示,最大工作压力:70Mpa,流
量:4g/ min~600g/min,
(8)制冷测温模块:制冷温度传感器采用Pt- 100等测量模式,两路信号采集,二次仪表显示, 温度范
围:330K~60K,精度:+0.5K;
(9)干燥模块:高压氮气进气干燥,保证高纯瓶装氮气质量(除去CO2、H2O等杂质);
(10)数据系统模块:具有压力、温度、流量、时间数据采集记录功能。
a)超高压质量流量计和软件测试J-T制冷器输出气体流量;
b)温度测量:测试J-T制冷器制冷温度;
c)压力测量:两路压力测量显示;
d)8路采集控制:软件/数据采集/曲线生成打印报告。
(11)气体质量检测模块:具有露点仪(+ 40℃~-100℃);O2为高纯在线O2分析仪,H2O为全范围量程露点仪,CO2为在线气相色谱仪。
检测①:每次检测低压钢瓶气源质量; 检测②:在线检测高压纯化干燥器后的气体品质。
3.2实验装置的设计制作
由于微通道模型几何结构很小,微尺度内流体的冷却特性、流动模式转变、流体流速和压力、通道表面过流及相关表面过热、质量流、可压缩性、多相态等不易观测到,测量误差较大。
这对推算微通道气体流动特性的理论产生一定的影响,故需要通过精密的质量流量计、压力表、温度传感器等实验用仪器仪表,同时通过精密流量计和精密压力表等仪表来进行精确测量。
根据确定的实验方案,我们进行了实验装置的设计,微通道模型实验装置图如图2所示:
4实验模型的建立
为了使微通道换热器的流动和传热特性具有广泛性,我们选用了最常用、最具代表性的氮气来作为实验气体,其物性参数为:密度ρ=1.25kg m3,动力粘度μ=1.5×10-5kg/m·s,气体导热系数
λ=7.6×10-3W/m·K;微通道换热器的具体参数为:微通道的长度L=0.2m,水力当量直径
dh=100μm=1×10-4m。
通过实验装置,我们测得了9组数据,结合相关准则公式(1)~(4)可推算出微通道摩擦系数 f、雷诺数Re、努谢尔特数Nu。
再通过应用OriginPro7.0图表软件,我们可以得到雷诺数Re-摩擦系数f的对应关系(流动特性)曲线图、雷诺数Re-努谢尔特数Nu(传热特性)的对应关系曲线图,如图3、4所示。
对于管内强迫对流换热,
函数间存在以下的关系:
至此,我们通过实验操作和理论推算得到了雷诺数Re-摩擦系数f间的对应关系,雷诺数 Re、普郎特数Pr-努谢尔特数Nu的对应关系,建立了微通道换热器气体流动所产生的流动特性和传热特性实验模型。
5实验模型的分析
根据传热学等的相关理论可知,对于普通的管道摩擦系数f由传统的Moody图给出,它与雷诺数Re的关系如式(9)所示:
当Re>2000时,摩擦因子f受入口条件、压力波等引起的初始湍流度的影响而发生变化。
对于气体的流动特性,则遵循如下的经验公式:
比较微通道与普通管道换热器的流动特性式 (7)、(9),我们可以看出:在相同雷诺数Re的情况下,摩擦系数f的值在微通道换热器时较大。
这主要是因为微通道换热器的流道尺寸很小,当量直径也很小,这样通道表面的相对粗糙度就变得很大,同时通道表面的粗糙度极不对称造成的。
比较微通道与普通管道换热器的传热特性式 (8)、(10),我们可以看出:在相同雷诺数Re、普郎特数Pr的情况下,努谢尔特数Nu的值在微通道换热器时较大。
这除与流动特性中摩擦系数影响增大的因素有关外,还因为微通道换热器的传热过程比常规的要复杂,特别是矩形截面又增大了换热系数。
总之,微通道换热器通道的粗糙表面增强了换热,但在雷诺数Re很小时,粗糙度没有明显地改善换热。
参考文献
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