摘 要

近年来随着电子设备体积的减小，散热效率成为主要问题，而微管换热器所具有优良的传热性能，结构紧凑等优点，使其成为新兴技术。而本次设计的对微通道内流体流动换热进行数值分析，首先将会建立3D模型，在雷诺数2000至6000的条件下运用ANSYS中的FLUENT对所建立的3D模型的流体流动换热进行模拟与计算。得到模拟结果后对其进行计算分析后和所选择的参考实验相对比。并对通过软件模拟得到的云图进行分析。以及研究在使用不同的计算模型、加热热流密度、入口流体温度后所造成的结果影响进行分析。在对模型进行实验后发现最适合的模型为湍流SST k-，在进行试验的后我们对实验数据进行计算并制成表格发现了对微管道而言热流密度对其效率几乎无影响，而入口流体温度的改变导致了微通道换热效率的改变，而且入口流体温度的改变也改变了流体的流动。针对这些问题本文进行了详细研究。

　　关键词：数值模拟 矩形微通道 努谢尔特数

Numerical analysis of fluid flow heat exchange in micro channel

　　ABSTRACT

　　窗体顶端

　　窗体底端

　　窗体顶端

　　窗体底端

In recent years, with the reduction of the size of electronic equipment, cooling efficiency has become the main problem, and micro-tube heat exchanger has excellent heat transfer performance, compact structure, making it a new technology. In this design, the numerical analysis of the fluid flow in the microchannel is carried out. First, a 3D model will be established. The FLUENT in ANSYS will be used to carry out the hydrothermal heat transfer of the 3D model under the condition of Reynolds number 2000 to 6000 Simulation and calculation. The simulation results are compared with the selected reference experiments. And the cloud image obtained by software simulation is analyzed. As well as the study of the effects of the results obtained using different computational models, heating the heat flux, and the inlet fluid temperature. After the experiment was carried out, the most suitable model was found to be turbulence SST k-. After the test, we calculated the experimental data and found that the heat flux had little effect on the efficiency of microchannels, The change in fluid temperature results in a change in the microchannel heat transfer efficiency, and changes in the inlet fluid temperature also change the flow of the fluid. This paper is a detailed study of these issues.

Key words：Numerical simulation; rectangular micro channel;Nusselt number

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1研究的意义 1

1.2课题国内外现状 4

1.2.1对所研究通道流动特性的研究 4

1.2.2 对所研究通道换热特性的研究 4

1.2.3国内学者对微通道内流动与换热的研究 4

1.3微通道内流体流动换热的数值分析 5

1.3.1现有研究工作的不足 5

1.3.2本课题的主要研究内容 6

第二章 所选模型与计算方法的介绍 9

2.1计算流体动力学的概述 9

2.1.1计算流体动力学简介 9

2.1.2本次模拟的步骤 9

2.2描写流动与传热的控制方程 9

2.2.1质量守恒方程 9

2.2.2动量守恒方程 9

2.2.3能量守恒方程 10

2.2.4控制方程的通用形式及离散 11

2.3数值解法的简介 12

2.4建立模型 13

第三章 微通道内流体流动换热的数值分析 15

3.1模型的建立 15

3.1.1建立模型的步骤 15

3.1.2对建立的模型初次求解 16

3.2利用FLUENT对模型进行求解 17

3.3各种因素对模型的影响 17

3.3.1计算模型对计算的影响 17

3.3.2仅改变加热热流密度所产生的影响 18

3.3.3改变入口流体温度所造成的影响 23

3.4计算公式 27

3.5 Fluent模拟数据与所选参考实验结果对比 28

第四章 模拟结论与展望 29

4.1模拟结论 29

4.2对本次设计的总结与展望 29

参考文献 30

致谢 33

第一章 绪论

1.1研究的意义

近年来随着电子设备组装密度的增加，散热效率成为主要问题，而微管换热器所具有优良的传热性能，结构紧凑等优点，成为了小型大功率电子器件优选新散热。 这使得使用微通道传递热量在近几年成为广泛使用的新兴技术。

随着科学技术的快速发展，空冷散热器（ACHS）已逐渐被流体冷却散热器（FCHS）所取代，因为较小体积的电子设备的较高散热需求已逐渐超过散热能力ACHS。 FCHS的典型是微通道散热器（MCHS），这是由Tuckerman和Pease在20世纪80年代初提出的。从那时起，对许多方面的MCHS进行了许多研究，许多研究集中在单层和并行微通道散热器（SL-P-MCHS）。 Yu等人报道了对分形MCHS的研究。他们发现，分形树状的MCHS具有比直的微通道高得多的传热系数，但它消耗了更高的泵浦功率。 Azizi等人分别报道了使用Cu-水和Al2O3-水纳米流体的MCHS的对流传热的研究。Azizi等人发现纳米流体不仅可以增加平均和局部Nusselt数量，但也可以减少底部表面温度。 Sakanova 等人报道了使用纳米流体的波状MCHS的研究。他们的研究表明，与直线MCHS相比，波状MCHS可以提高传热性能。特别地，波状MCHS将比纳米流体更有效地工作。 Leng等人研究的多孔翅片MCHS，他们报道多孔翅片MCHS上的压降可能比固体翅片显着降低。 Chu等人研究了三角形通道形状，Wong等人研究了三角形的形状。他们报告说，在三角形通道的入口和出口之间的区域存在高温度梯度。 Normah等人研究了正方形和圆形通道形状。他们认为，在相同的水力直径和泵送功率下，圆形MCHS的热阻低于方形MCHS的热阻。如Xie等人报道的，具有内部Y形分叉的MCHS的热性能远优于矩形MCHS的热性能。虽然在发表文献中证明了SL-P-MCHS的高热通量和小热阻，但是底壁温度不均匀，在SL-P-MCHS的通道上的高压力仍然是用于广泛应用的障碍。为了克服散热器的不均匀底壁温度的挑战，Vafai和Zhu 在1999年首次提出了双层MCHS（DL-MCHS）的概念。八年后，Wei等人重新引入了这一概念。热阻提高到0.09 LC / Wcm2。近来，DL-MCHS被其他作者群体不断地调查，例如Hung等人的上层的信道入口被设计在下层的信道出口的顶部;因此，与导致底壁上的温度更均匀的单层相比，下层出口区域中的温度将降低。 Sakanova等人报道了双层和双侧微通道散热器与纳米流体作为冷却剂的优化和比较。他们揭示了具有夹层结构和逆流的散热器的热阻远小于具有单向或逆流的单层和双层的热阻。 DL-MCHS的上层信道的截断结构由Leng等人提出。这种截断可以改善底壁上的温度均匀性。尽管上层的沟道长度比原始层的沟道长度短，但是下层的沟道长度与原始层相比没有改变。这表明，在相同的水力直径和通道长度下，DL-MCHS的下层通道的压降与单层MCHS的压降大致相同。这意味着与单层相比，DL-MCHS不能减小压降。此外，Zhai et al。 建议由于较大的不可逆性，DL-MCHS不应用于在小体积流量下冷却微电子设备。 2012年，Boteler等人首先提出了人为微通道散热器（M-MCHS）的概念。根据这一建议，其他研究小组继续对M-MCHS进行调查。他们报道，由于冷却剂路径的截断，M-MCHS可以显着地降低压降并且改善底壁上的温度均匀性。 Yin等人提出了一种具有AlN基底微通道的直接结合铜结构的散热器。他们报道了，散热器与所提出的结构的热阻与传统的封装结构相比降低了15％和80％，其中Cu基MCHS分别通过焊料或热界面材料键合到直接铜。 基于所研究的文献的基础，在本发明中提出了一种新颖的多喷嘴微通道散热器（MN-MCHS），以改善散热器的热性能，减少沿着通道的压降并提高均匀性 底壁的温度。

而在工业应用中，例如在核工业中的非常高温反应堆（VHTR），其设计具有高达1000℃的出口温度，在垂直管中的强烈加热的气流具有很大的基本用途。当湍流气流被强烈加热，可变热物理性质可导致从湍流到准层流的流动再转化，在一些文献中被称为“再层化”。因此，传热效率迅速下降，并且导致管壁温度的急剧上升。在早期的研究中，Carretal报道了在管流中的加热空气的实验，其中测量了速度，温度和湍流数据，其中它们观察了在低雷诺数（Re）下的流动结构的变形和低的轴向湍流强度。She-hata和McEligot发表了另一份详细报告，其中包含了详细的数据，这是Perkins和McEligot的测量的扩展。在其在垂直管中的加热空气流的实验中，他们使用三种情况来表示具有Re0=4240和6020的入口雷诺数的“湍流”，“次扰动”和“层流”流。在这些强制对流优势情况下，提出了沿管道不同位置的流量统计。平均流量统计的进一步分析可以在研究中被同一作者发现。Jackson等人将这些早期研究评述为垂直管中的混合对流。

相关图片展示：