微柱体对微通道热沉综合性能影响的数值分析

为强化微通道热沉的传热性能,设计一种内置微柱体的微通道热沉,并采用数值方法研究微柱体对微通道热沉内流体流动、传热及综合性能的影响。分析了进口雷诺数、微柱体的错位量对内置微柱体微通道热沉(微柱通道)的压降、热阻和努塞尔数的影响,并与光滑微通道热沉(光滑通道)进行对比。采用热阻与泵功的关系、熵产原则及性能评价准则对微通道热沉的综合性能进行评价。结果表明,微柱通道压降和努塞尔数随雷诺数增大而增大,热阻反而减小;在研究的雷诺数范围内,微柱通道压降比光滑通道的平均高84.3%,热阻平均低27.8%,而努塞尔数平均高54.5%;有错位量的微柱通道热阻比无错位量的平均低8.9%,而努塞尔数平均高12.6%;微柱通道综合性能优于光滑通道,且有错位量的微柱通道更优。     

多孔挤压铝扁管电子芯片热沉的热性能研究

为了探讨多孔挤压铝扁管构成的新型微小通道热沉的换热特性,建立了三维共轭传热数值模型并通过实验验证了该模型的可靠性。模拟分析了在0.03 W的泵功消耗下,不同孔道高宽比、宽度比、孔道数目对热沉传热性能的影响,并详细计算导热热阻、对流热阻和热容热阻。讨论了不同内翅片的宽度及高度对强化传热系数 PEC的影响,提出了最佳的翅片宽度。该研究为此类型热沉的设计提供了参考依据。     

联箱形式对微通道热沉流动与传热性能的影响

建立了微通道热沉的三维数值模型,同时求解流体Navier-Stockes方程、能量方程和固体区域的导热方程,模型计算结果与文献报道实验数据吻合较好.设计了新型的微通道热沉,采用本文模型对其性能进行分析计算.通过在联箱内加入隔板,设计了1-6弯头新型联箱微通道热沉,通过提高每程流速和引入交替顺逆流动,降低微通道热沉的热阻并提高其均温特性,并与直通型和Z型联箱设计比较.在8种联箱设计中,蛇形弯头联箱的热阻和均温特性均优于Z型和直通联箱,即便增大Z型和直通联箱制冷剂供液泵功,其热阻和均温性也很难达到低泵功下蛇形弯头联箱的性能.蛇形弯头数大于4时,底部中心线温度分布曲线基本重合,再增大弯头数,对降低热阻和提高均温性均无明显贡献,同时会增加额外的泵功.     

纳米流体微通道热沉的性能强化

基于对纳米流体热导率及黏度公式的筛选,本文发展了纳米流体微通道热沉的三维流固耦合模型,分析了热沉结构、纳米颗粒种类、粒径、体积分数及基液种类等关键参数对热沉性能的影响.结果表明:(1)纳米颗粒随机运动引起的附加热耗散强化了纳米流体的对流换热,显著提高了热沉的冷却性能;(2)纳米流体的强化作用依赖于热沉结构,且依赖关系不同于纯流体,需对纳米流体作为冷却剂的热沉结构进行优化;(3)颗粒体积分数增加,热沉热阻降低,但压降升高,综合考虑热阻和压降,最佳的冷却剂为0.5%体积分数的水基Al2O3纳米流体,相对于纯水,其使热阻降低了10.1%,压降仅增加0.38%;(4)颗粒粒径对热阻影响较小,考虑纳米流体稳定性,推荐使用小粒径的纳米颗粒;(5)Al2O3纳米颗粒优于TiO2,CuO最差,最优的基液为水,依次为乙二醇和机油.     

铝基微通道内纳米流体饱和沸腾及可视化研究

分别以去离子水及质量分数为0.3%,0.6%和0.9%Al2O3纳米流体为工质,在截面宽×高为0.3 mm×2.0 mm矩形铝基微通道内进行沸腾换热实验,并利用高速摄像仪进行可视化研究,分析热流密度、雷诺数、壁面粗糙度对流体传热系数的影响,探究流体流型变化与气泡生长规律。研究结果表明:纳米流体与去离子水的饱和沸腾传热系数随热流密度的增加而快速增大,努塞尔数Nu随雷诺数Re增大而增大但增幅不同,质量分数为0.3%,0.6%和0.9%的3种纳米流体的Nu比去离子水的Nu分别提高约8%,13%和16%;在相同热流密度及质量流速条件下,纳米流体与去离子水的传热系数均随传热壁面粗糙度的增加而增大;流体流型的变化呈现周期性,增大热流密度,可缩短气泡生长周期,泡状流比例增加。     

射流冲击下矩形柱鳍热沉结构优化

采用实验与数值计算相结合的方法对空气射流冲击下的矩形柱鳍热沉的肋片结构进行优化研究。对不同肋高和肋宽的矩形柱鳍热沉的热阻进行实验研究,并选用标准的kε湍流模型进行数值计算分析。研究结果表明:热阻随喷口雷诺数Re或喷口高径比H/D的增大而减小,但Re或H/D增大到一定程度时,热阻减小的幅度就不再明显;当热沉肋高范围为0.3≤Hf/L≤0.42、肋片宽度为Df/L=0.1时,热沉的散热能力与散热经济性之间能达到较好的平衡。将模拟结果与实验结果进行比较,相对误差在10%以内。     

变截面微小通道的传热特性

为研究变截面微小通道的流动和传热特性,设计了9种不同微小尺度的变截面通道。采用实验研究的方法,得出了流体在变截面微小通道中的传热特性以及与常规尺度通道的差异,分别比较了通道的进出口宽度比、高宽比对变截面、微小尺度通道传热特性的影响,根据实验结果得到了描述水在变截面微小通道中的流动及传热特性的无量纲关联式。     

磁纳米流体对微细通道饱和沸腾CHF特性的影响

以去离子水和w(Fe_3O_4)=0.5%的磁纳米流体为实验工质,在3种不同尺寸的矩形微细通道内进行饱和流动沸腾传热实验,研究了流动沸腾传热过程中质量流速、有无磁场作用下的磁纳米流体对CHF特性的影响.结果表明:去离子水和0.5%的磁纳米流体的CHF值均随质量流速的增大而增大,且质量流速较小时,CHF值增幅较明显;无外加磁场时,0.5%的磁纳米流体的CHF值相比去离子水可提高71%~157%;0.5%的磁纳米流体的CHF值随着磁场强度的增加而增大,增加幅度约为4%~17.4%;将实验值与Kosar模型预测值进行对比,发现工质为去离子水和0.5%的磁纳米流体时平均绝对误差分别为25%、30%,而对Kosar模型进行修正后,平均相对误差均小于15%,实验结果预测性明显提高.     

基于热阻网络模型的铜基微通道热沉设计优化

研究表明微通道的截面形状、尺寸以及数量显著影响流体在通道中的传热性能。基于热阻网络模型和计算流体力学(CFD,computational fluid dynamics)模拟,对适用于流动沸腾散热的铜基微通道设计进行了热性能分析。根据实验和模拟计算结果,在确保微通道内热边界层发展区满足恒定壁温条件下,8个平行的尺寸为200μm高,800μm宽,10 mm长的铜基微通道阵列即可满足一般的流动沸腾应用所需要的对流散热量(如6 kW/m~2)。该微通道热沉设计可以在30 min内达到稳定,也可以在相对较短的时间内将目标系统维持在稳定的合理工作温度。此外,实验结果表明在微通道入口处的流体冲击流动可以提高微通道壁面与工作流体之间的对流换热系数,并且在很大程度上降低了壁温。     

双层Y形分叉仿生微通道换热性能及优化设计

针对电子器件的小型化和集成化的趋势以及较高的散热要求,基于仿生思想,设计了双层Y形分叉仿生微通道并研究其传热性能。对于分叉角和分级数进行了优化,得到最佳分叉角为60°,分级数为2。设计双层逆流微通道热沉对电子芯片进行冷却;并构建三维层流流场的计算模型,采用有限体积方法进行数值模拟。结果表明:在相同换热面积下,入口速度为1 m/s时,Y形通道较之平直通道压降减少了37.67%,加热面平均温度降低了7.66℃,同时最大温差降低了6.51℃,温度更加均匀,能很好地提升电子器件的使用寿命和散热性能。相对于单层通道,双层逆流Y形微通道热沉具有更小的压降、更均匀的温度,最高温度下降了3.1℃。双层Y形仿生微通道的设计不仅提高了散热容量,而且有效降低了泵功消耗,可以为电子器件的散热设计提供参考。     

长菱形微针肋热沉的流动与换热特性

加工硅基长菱形微针肋热沉,并对其流动与换热性能进行试验研究和数值模拟。结果表明:在试验雷诺数Re范围内,长菱形针肋的换热系数随Re的增大而增大。雷诺数相同时,热流密度对换热系数的影响较小。热阻随泵功的增加不断降低;在泵功较小时,热阻降低的速度较快;当泵功增大到一定值时,热阻的变化趋于平缓。在一定的泵功下不同热流密度之间的总热阻没有太大的区别。努塞尔数Nu随Re增大而增大。与同样尺寸圆形、菱形针肋相比,长菱形针肋具有较好的换热性能,可以避免针肋尾部涡脱落造成的阻力损耗,同时长菱形针肋尾部延伸拓展了换热面积并扩大了固体导热区,从而提高换热效果。     

粗糙度对微通道内两相流摩擦压降的影响

以去离子水和质量分数为0.3%的水基Al_2O_3纳米流体为工质,对水力直径为1 241μm的矩形微通道内流动沸腾过程进行研究。为了探究微通道壁面粗糙度对两相流摩擦压降的影响情况,运用化学抛光处理手段来改变壁面粗糙度。研究结果表明:实验工况相同时,两相流摩擦压降随着微通道壁面粗糙度的增大而增大;纳米流体为工质时两相流摩擦压降高于去离子水为工质时两相流摩擦压降,高热流密度下更为差异明显;将实验值分别与3种分相模型的预测值对比来验证现有压降模型的准确性,结果偏差较大,而且壁面越粗糙预测效果越差。现有的压降计算模型需要进一步完善以增强其普适性。     

微流体反应器制备金纳米粒子的研究

利用全聚合物微流体反应器,在紫外光照射下制备了金纳米粒子。采用紫外-可见吸收光谱、激光粒度分析仪、高分辨透射电镜等对柠檬酸钠-氯金酸微流体光化学反应体系进行了表征,并考察了注射泵的流速、柠檬酸钠与氯金酸的浓度比、紫外辐射强度对金纳米粒子产率和粒径大小的影响。结果表明,得到的金纳米粒子最小粒径约20nm;金纳米粒子的产率随注射泵流速的增大而上升,但是随柠檬酸钠与氯金酸浓度比的增大和紫外辐射强度的增强而减弱;金纳米粒子的粒径随注射泵流速的增大和紫外辐射强度的增强而减小,但是在柠檬酸钠与氯金酸浓度比小于16时,粒径变化不大,当柠檬酸钠与氯金酸浓度比大于16时,粒径迅速增大。     

定向凝固过程中的流动效应

在类合金(NH4Cl-H2O溶液)定向凝固晶体生长实验装置上,利用30μm煤粉作示踪粒子,再现糊状区内微通道流以及通道出口处的流体流动,并测算了各处流体的瞬时速率.分析认为:凝固初期,糊状区内固相体积分数较大,内部流体流动受阻;随着固相体积分数减少,糊状区孔隙率增大,流体充分发展;当平均固相体积分数降至0.42,接近最小值0.38时,当量雷诺数达到临界值(247),糊状区内形成微通道;随着通道宽度逐渐扩大,液相区内热流体进入微通道.微通道内稀冷液体向上流,浓热液体向下流,促使通道内溶液再结晶.     

用于高功率半导体激光器列阵散热的微通道热沉的研制

理论分析了微通道热沉的热阻的组成,采用微机械加工技术和铜直接粘接技术(DBC)制作了冷却大功率半导体激光器列阵的5层结构的无氧铜微通道热沉;通过测试,用其封装的808 nm线阵二极管激光器准连续输出功率达38.5 W,无氧铜微通道热沉热阻为0.645℃/W,热沉的表面温度均匀性好,能有效散热,满足散热要求.     

纳米流体及分散剂对重力热管性能影响试验

为了研究纳米流体及分散剂对重力热管性能的影响,对各热管的启动性能(启动时间和启动温度)以及传热性能(稳定运行时管壁温度分布和总热阻的大小)进行了测试.结果表明:纳米颗粒的添加及其物理性质对热管的启动时间有影响,添加纳米流体的热管,启动时间较传统去离子水热管明显缩短1.3~3.2 min;分散剂的添加对热管的传热性能也有影响,在高热流密度工况下,以十二烷基硫酸钠(SDS)为分散剂的热管性能明显优于以阿拉伯树胶(AG)为分散剂的纳米流体热管;添加分散剂的纳米流体热管热阻较去离子水热管降低26.4%~63.9%.     

考虑边界滑移的微通道热沉传热传质性能研究

考虑固液界面边界滑移条件,研究了具有矩形、椭圆形和三角形这3种不同截面形状的微通道热沉的传热传质性能。研究发现,随着滑移长度的增加,流体阻力逐渐减小,对流传热系数逐渐增大。具有相同滑移长度和截面形状的微通道热沉的流体阻力和对流传热系数均随水力直径的增加而减小。在微通道截面面积相同的条件下,三角形微通道热沉的对流传热性能最差;对于椭圆形和矩形微通道热沉,当水力直径小于某一临界值时,矩形传热效果更优,而大于这一临界值时,椭圆形传热效果更好。     

在磁场作用下Fe_3O_4/Water纳米流体湍流对流换热实验研究

实验研究了不同体积分数Fe_3O_4/Water纳米流体在磁场作用下的水平小圆管内的湍流流动对流换热特性,测量了体积分数为3%的Fe_3O_4/Water纳米流体的沿程压力降并计算了其能量比率,探讨了在磁场作用下纳米流体强化对流换热的机制.实验结果表明:Fe_3O_4/Water纳米流体的对流换热系数随着体积分数的增加而升高,其平均值最大提高了4.3%;在与流动方向垂直的匀强磁场作用下,当磁场强度为23.809和39.682 kA/m时,纳米流体的换热系数几乎没有提高,当磁场强度为63.492 A/m时,换热系数有所提高,其平均值最大提高了3%;Fe_3O_4/Water纳米流体的沿程压力降相对于基液去离子水增加了50%,外加磁场使其进一步增大,并随着磁场强度的增加而增大,当磁场强度为63.492 A/m时增加了11.3%;Fe_3O_4/Water纳米流体相对于基液去离子水的能量比率计算值小于1,说明添加Fe_3O_4纳米粒子没有达到节能的效果.     

飞秒激光热反射法用于纳米薄膜界面热阻研究

纳米薄膜界面热阻在纳米结构热输运过程中起主导作用?相对于金属纳米薄膜,非金属纳米薄膜界面热输运规律更为复杂?采用改进的双波长飞秒激光光热反射法(TDTR)实验系统,测试了金属纳米薄膜?非金属纳米薄膜分别与不同介电基体之间的界面热阻?薄膜-基体德拜温比可以近似作为衡量界面声学失配程度的度量,德拜温比接近,非金属纳米薄膜界面热阻比金属纳米薄膜界面热阻大2~3倍,主要原因是电子-声子耦合作用增强了金属薄膜界面热输运能力?     

物性参数对纳米流体强化换热的影响

对铜-氩纳米流体在矩形槽通道内流动和换热情况进行了数值模拟,对基础流体和不同体积分数的纳米流体在不同Re下的换热情况进行研究,分析了纳米流体热物性的改变对强化换热的影响.研究表明:相对于基础流体而言纳米流体由于具有较好的导热性能而强化换热,并且纳米流体体积分数越大,其导热性能越好,从而换热能力也越大.对于相同体积分数的纳米流体,其换热系数提高的程度与流体的速度有关系,流速越小,换热系数提高得越大,而随着流速的逐渐增大换热系数提高的程度逐渐下降.