疏水性微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱及Micro-PIV流動(dòng)可視化研究.pdf

1、隨著微電子設(shè)備集成度的提高，單位空間熱流量急劇增加，嚴(yán)重影響微電子設(shè)備的正常運(yùn)行。微肋陣作為一種高效微型散熱結(jié)構(gòu)，以其高面體比、結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，在微空間電子散熱領(lǐng)域受到研究者普遍關(guān)注。大量研究表明，微肋陣結(jié)構(gòu)具有出色的強(qiáng)化傳熱能力，然而受微肋片繞流的影響，其內(nèi)部流動(dòng)阻力也相對(duì)較高。這使得微肋陣的強(qiáng)化傳熱效果在無(wú)動(dòng)力條件下難以充分發(fā)揮，大大阻礙了微肋陣?yán)鋮s結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展。
　　本課題設(shè)計(jì)了一體化微肋陣流動(dòng)與換熱通道并搭

2、建了微肋陣流動(dòng)與換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究了微肋陣內(nèi)的單相流動(dòng)與換熱機(jī)理。針對(duì)微肋陣流動(dòng)阻力損失過(guò)大的瓶頸問(wèn)題，本課題通過(guò)在橢圓形微肋陣表面涂覆不同含量納米粒子涂層的方法，使得實(shí)驗(yàn)所用疏水性微肋陣具有多種表面接觸角，改變Reynolds數(shù)，測(cè)得實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的壓降、流動(dòng)阻力系數(shù)f及Nusselt數(shù)，并研究了不同接觸角對(duì)微肋陣換熱及流阻的綜合影響。研究表明，疏水性涂層減阻效應(yīng)顯著，接觸角增大，流阻系數(shù)和壓降隨之減小;Nu會(huì)因疏水性涂層而降低，且三種疏

3、水性微肋陣內(nèi)Nu之間的偏差隨功率的增加而增大;雖然表面疏水性導(dǎo)致微肋陣內(nèi)的Nu降低，接觸角為151.5°超疏水橢圓形微肋陣仍具有較好的能效特性。同時(shí)，考慮到肋片截面形狀對(duì)流動(dòng)和換熱有重要影響，本課題還考察了圓形、菱形以及橢圓形三種截面形狀對(duì)于微肋陣內(nèi)流動(dòng)及對(duì)流換熱影響規(guī)律，利用超疏水表面的減阻特性，定量評(píng)估不同形狀超疏水微肋陣的綜合強(qiáng)化傳熱效果。研究結(jié)果表明，超疏水處理后圓形、菱形、橢圓形微肋陣內(nèi)摩擦阻力系數(shù)與未處理前相比最大可降低72

4、％，66％，70％;同時(shí)，三種截面微肋陣內(nèi)Nu有所降低，且疏水前后微肋陣Nu偏差隨加熱功率的增加逐漸減小，高加熱功率下三種微肋陣超疏水處理前后Nu偏差最大分別不超過(guò)44％，17％，47％;高加熱功率下超疏水菱形微肋陣在Re＜1200范圍內(nèi)具有良好的綜合傳熱強(qiáng)化性能，綜合傳熱強(qiáng)化因子ψ始終高于1.17。
　　本課題采用Micro-PIV測(cè)試技術(shù)測(cè)量了微肋陣通道入口處速度場(chǎng)，結(jié)果表明通過(guò)Micro-PIV測(cè)試方法能準(zhǔn)確的反映微肋陣內(nèi)流

5、動(dòng)特征。然后考察了疏水性及截面形狀對(duì)微肋陣內(nèi)流動(dòng)分離特性的影響。結(jié)果表明:未經(jīng)疏水性處理的圓形微肋陣，當(dāng)Re=250時(shí)，最中間的圓柱尾部開(kāi)始出現(xiàn)了兩個(gè)對(duì)稱的小漩渦，比起宏觀尺度下Re＞5時(shí)就出現(xiàn)了尾渦有明顯的滯后。沿微肋陣通道不同排圓柱尾部分離角和回流長(zhǎng)度Lv的值均隨Re的增加而增大;相同Re下，上游圓柱的Lv的值小于下游圓柱。經(jīng)疏水性處理的微肋陣，邊界層分離發(fā)生了推遲，隨接觸角的增大推遲得越顯著，大大降低了壓差阻力;比起非流線型的圓形