何蔚然 劉 東

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肋片頂部開口對(duì)微槽內(nèi)流動(dòng)換熱特性的影響研究

何蔚然 劉 東

（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 綿陽(yáng) 621010）

針對(duì)不同的頂部開口肋片矩形微結(jié)構(gòu)換熱器內(nèi)的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行分析，并采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算不同肋高比情況下微槽道結(jié)構(gòu)散熱器的流動(dòng)和換熱特性。結(jié)果表明：摩阻系數(shù)隨著肋高比的增加而降低，隨著Re的增加而減?。籒u隨著肋高比的增加而降低；相同肋高比時(shí)，傳熱因子隨著Re的增大而減??；合適的頂部開口在小Re數(shù)下可以表現(xiàn)出較好的流動(dòng)換熱特性，但是當(dāng)Re增加時(shí)，其對(duì)于換熱有抑制作用。

頂部開口；冷卻；微槽道；流動(dòng)；換熱

0 引言

如今大功率激光器的發(fā)展迅速，它也被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)與生活中[1-3]，這一切都依賴于機(jī)械加工和電子技術(shù)的發(fā)展?？墒怯捎诩す馄鞴β试谔嵘?，現(xiàn)如今它的散熱已然成為其發(fā)展受阻的重要問題[4]。許多研究者嘗試研究不同的新型換熱技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化散熱，如噴霧冷卻、熱管以及微結(jié)構(gòu)槽道，而本文主要著重于微槽道進(jìn)行研究。針對(duì)微槽道，1981年，Tuckerman等[5]采用微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)加工出了首個(gè)多槽道散熱器，并且實(shí)驗(yàn)證明了其強(qiáng)大的散熱能力。隨后，Peng等[6,7]和Mchale等[8]都對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。劉東[9]對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的微槽道內(nèi)的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行了研究。然而，沒有前人研究微槽道的肋片頂部開口的情況下微槽道內(nèi)的流動(dòng)換熱特性。本文基于槽道結(jié)構(gòu)形式的變化會(huì)導(dǎo)致流體流動(dòng)特性的變化進(jìn)而影響其換熱特性的這一特點(diǎn)，并且為了分析肋片頂部開口對(duì)流動(dòng)和換熱的影響，本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同肋高比的微小矩形槽道內(nèi)的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行了研究。

1 不同肋高比槽道類型簡(jiǎn)述

為了研究槽道肋片頂部開口對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)和換熱特性的影響，設(shè)計(jì)了不同肋高比的矩形槽道，并采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行計(jì)算，為了減少計(jì)算量，從槽道的特性分析，槽道中心對(duì)稱，因此在模擬時(shí)只模擬半個(gè)槽道內(nèi)的流動(dòng)和換熱特性，從而截取槽道的1/2，定義為一個(gè)單元體來進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，如圖1所示。采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為564000，具體劃分如圖2所示（以肋高比0:1的模型為例）。

圖1 矩形槽道及模擬單元示意圖

圖2 矩形槽道的網(wǎng)格示意圖

表1 矩形槽道具體尺寸

為了更清楚表述槽道單元塊的特性，定義槽道長(zhǎng)度為，肋片高度為2，頂部開口為1，單元槽道底部寬度為1，單元塊底部寬度為2，槽道高度為3，并定義槽道的肋高比為頂部開口于肋片高度的比值，=1/2。以肋高比為2:8的槽道為例，槽道高度3=4.7mm，槽底寬度1=1mm，槽底厚度2=2mm，槽道長(zhǎng)度=150mm，頂部開口1=0.94，肋片高度2=3.76mm。具體槽道尺寸如表1所示。

2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

采用三維流體控制方程對(duì)流體在整個(gè)散熱器的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并且作如下假設(shè)：（1）采用水作為工作介質(zhì)，不可壓縮且流動(dòng)為層流；（2）流體在三維槽道中的流動(dòng)為定常流；（3）流體和固體的熱力學(xué)參數(shù)為定值；（4）所有的槽道表面光滑；（5）忽略重力浮力等影響，散熱器出口壓力為大氣壓力。具體的控制方程如下：

（2）

固體區(qū)域能力方程為：

流體區(qū)域能力方程為：

（4）

（1）～（4）式中，為密度，為當(dāng)?shù)貕毫?，為?dòng)力粘度，為溫度，c為流體定壓比熱，為固體的導(dǎo)熱系數(shù)。

設(shè)置如下邊界條件：槽道外壁絕熱，槽道中心采用對(duì)稱邊界條件，槽道進(jìn)口采用速度進(jìn)口，出口采用壓力出口。進(jìn)口水溫為297K，槽道底部采用定熱流密度邊界條件在小槽道中流動(dòng)為層流流動(dòng)，因此采用層流計(jì)算方程，并采用Simple算法進(jìn)行迭代計(jì)算，當(dāng)出口質(zhì)量流量誤差在10-5時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。

3 數(shù)據(jù)處理方法

流體流動(dòng)換熱的努謝爾數(shù)為：

無量綱摩擦系數(shù)為：

（6）

傳熱因子為：

（8）

（5）～（11）式中，進(jìn)口平均溫度為T，出口平均溫度為T，壁面平均溫度（流體底面與固體接觸的水平面的平均溫度）為T，為流體（水）的密度，d為當(dāng)量直徑，為水的動(dòng)力粘度系數(shù)，為流體的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)，c為流體的比熱容，λ是流體的傳熱系數(shù)，為流體速度，為固壁底部加熱熱流密度，k為流體的導(dǎo)熱系數(shù)。

4 結(jié)果和討論

為了更為正確地表示不同肋高比對(duì)換熱的影響，分別對(duì)不同肋高比情況下同一類型槽道不同加熱功率和進(jìn)口速度下的4種流動(dòng)工況下進(jìn)行模擬。圖3為不同肋高比槽道內(nèi)的摩阻系數(shù)隨著Re的變化關(guān)系圖。從圖3中可以看出，摩阻系數(shù)隨著Re的增加而降低；并且隨著肋高比的增大，即頂部開口越大，摩阻系數(shù)就越小。當(dāng)槽道的肋高比一定時(shí)，其內(nèi)流動(dòng)特性一致，流動(dòng)速度越小，摩阻系數(shù)就越大，這和常規(guī)的層流流動(dòng)特性一致。這充分說明了頂部開口可以有效減少流動(dòng)阻力。

圖3 不同肋高比槽道內(nèi)的摩阻系數(shù)隨著Re的變化關(guān)系

圖4給出了不同肋高比槽道內(nèi)的隨著Re的變化關(guān)系。

圖4給出了不同肋高比槽道內(nèi)的隨著Re的變化關(guān)系。從圖4可以看出，當(dāng)槽道肋高比確定時(shí)，換熱都隨著Re的增加而增加，但是增加趨勢(shì)逐漸趨于平緩。但是隨著肋高比的增加，換熱卻是在下降的，故而可以分析得出肋片頂部開口對(duì)于換熱的增強(qiáng)是不利的。

圖4 不同肋高比槽道內(nèi)的壁溫Nu隨著Re的變化關(guān)系

圖5 不同肋高比槽道內(nèi)的壁溫Tw隨著Re的變化關(guān)系

圖5給出了不同肋高比槽道內(nèi)的隨著Re的變化關(guān)系。

從圖5可以看出，當(dāng)槽道肋高比相同時(shí)，壁溫隨著Re的增加而升高，但是隨著肋高比的增加，壁溫是在升高的。這是由于隨著肋高比的增加，其換熱惡化，因此壁面溫度也就隨之增加。同時(shí)從圖中還可以看出，當(dāng)Re小于250的時(shí)候，壁面溫度隨著Re的增加其增加趨勢(shì)較為緩慢，而當(dāng)Re大于250時(shí)，其增加趨勢(shì)變快，這可能是由于進(jìn)口效應(yīng)引起的，當(dāng)Re數(shù)較小時(shí)，其進(jìn)口段長(zhǎng)度較長(zhǎng)，其換熱效果較好。

從上面的分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著頂部開口段的增加，其流動(dòng)阻力和換熱都明顯降低，為了綜合評(píng)價(jià)該效果，本文引入傳熱因子對(duì)其流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，圖6則給出了不同肋高比槽道中的傳熱因子隨著Re的變化關(guān)系從圖6可以看出，相同的肋高比情況下，傳熱因子隨著Re的增大而減?。欢谕籖e數(shù)下，其表現(xiàn)特性就不一致，當(dāng)Re較小時(shí)，傳熱因子隨著肋高比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但是當(dāng)Re數(shù)大于250時(shí)，傳熱因子隨著肋高比的增大就逐漸減小因此合適的頂部開口在小Re數(shù)下可以表現(xiàn)出較好的流動(dòng)換熱特性，如Re在100左右時(shí)，2:8和3:7的頂部開口方式明顯優(yōu)于頂部無開口的散熱器，但是當(dāng)Re較大時(shí)，其對(duì)于換熱有抑制作用。

圖6 不同肋高比槽道內(nèi)的傳熱因子J隨著Re的變化關(guān)系

5 結(jié)論

對(duì)不同頂部開口的矩形微槽道內(nèi)的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行了數(shù)值分析，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析得出如下結(jié)論：

（1）不同頂部開口槽道內(nèi)的摩阻系數(shù)隨著Re的增加而降低；摩阻系數(shù)隨著肋高比的增加而降低，隨著Re的增加而減小。

（2）肋高比確定時(shí)，隨著Re的增加而增加，但增加趨勢(shì)逐漸趨于平緩；隨著肋高比的增加而降低。同時(shí)肋高比相同時(shí)，隨著Re的增加而增加；并且隨著肋高比的增加而增加。

（3）相同肋高比時(shí)，傳熱因子隨著Re的增大而減??；合適的頂部開口在小Re數(shù)下可以表現(xiàn)出較好的流動(dòng)換熱特性，但是當(dāng)Re增加時(shí)，其對(duì)于換熱有抑制作用。

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[4] 田長(zhǎng)青,徐洪波,曹宏章,等.高功率固體激光器冷卻技術(shù)[J].激光雜志,2009,7(36):1686-1692.

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Effect of the Ringent Heat Sink on the Fluid Flow and Heat Transfer in Micro-Channels

He Weiran Liu Dong

( School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010 )

The fluid flow and heat characteristics ofthe different ringent heat sink of rectangular micro-channel heat exchangers are analyzed.Using the CFD software to analyzed the influence of micro-channel rib/depth ratio.The results show that the coefficient of frictionresistance decreases with the increase of rib depth ratio, but decreases with the increase of Reynolds number. The Nusselt number decreases with the increase of rib depth ratio. At the same rib depth ratio, the factor of heat transfer decreases with the increase of Reynolds number. The suitable ringent roof shows up the better fluid flow and heat characteristics under the small Reynolds number, but when the Reynolds number increases, it issuppressive for theheat transfer.

ringent roof; cooling; micro-channel; fluid flow; heat transfer

1671-6612（2016）05-586-04

TK124

A

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51306156）；綿陽(yáng)市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)資金項(xiàng)目（14G-09-3）

何蔚然（1991-），女，在讀碩士研究生，E-mail：740520339@qq.com

劉 東（1984-），男，博士，副教授，E-mail：dtld123@126.com

2015-6-15