傳熱性能的一種新穎的微通道嵌入溝槽連接

改善式微通道的傳熱性能,一種新穎的微通道嵌入凹槽連接跨越兩個側壁和底部表麵(a型)設計。比較研究的傳熱進行了關於類型的表演式微通道,對於嵌入凹槽的底部(包括類型B和C),或側壁(D型)以及光滑矩形鞏膜(E)型通過三維數值模擬和實驗驗證(雷諾數從118年到430年)。數值結果表明,平均努塞爾特數的類型,B, C和D式微通道106,73.4,50.1,12.6%,高於E型微通道,分別。最小的協同角β和熵產生數N_年代,測定對於基於場協同型和無因次熵分析,這表明類型表現出最佳的傳熱性能。數值流分析表明,連接槽引起流體流動沿著兩個不同的溫度梯度,從而有助於改善傳熱性能。

自從Tuckerman et al。1)提出了微通道散熱器,鞏膜的研究吸引了許多研究者的關注。對於廣泛應用於電子產品、微反應器等領域由於其傳熱效率高,結構緊湊2]。眾所周知,流體在微通道是由層流,因此,許多科學家和工程師們正在致力於改善式微通道的傳熱性能。目前的強化傳熱技術式微通道分為被動或主動。活躍的技術利用外部能源輸入,如射流技術(3,4),額外的磁場(5),電場(6)、聲學領域(7,8),或壓電驅動9]。然而,由於固有的複雜的結構,活躍的技術有一些缺點,比如他們的費用或不便在大規模生產。

被動技術需要更少的費用和更方便製造比一個活躍而實現理想的傳熱性能沒有任何額外的功耗除了抽運功率。被動的技術發展主要包括提高工作流體和改善微通道結構。納米流體是一種增強的工作包含高導熱納米顆粒的液體,如碳、金屬和金屬氧化物。基本流體相比,nanofluid有更高的熱導率等優良性能和傳熱性能的顯著增強。這已經促使許多研究者研究流動和傳熱性能與納米流體微通道散熱器。許多研究人員(10,11,12,13,14,15,16]報道nanofluid增強迷你/微通道散熱器的傳熱性能。然而,未等。17)得出的結論是,納米流體的傳熱性能惡化在高流速相對於水。Rimbault et al。18)觀察到明顯的傳熱惡化為4.5%(體積分數)納米流體,雖然略微傳熱增強低粒子體積分數(1.03%和0.24)。此外,Khoshvaght-Aliabadi et al。19比較他們的結果與風扇等。20.),何鴻燊et al。15],Sohel et al。16]和得出結論,一個增強的表麵比使用一個更有效的增強的工作流體,如nanofluid,從熱力學的角度。此外,對於與增強的表麵更加穩定和可靠的工作相比,增強工作流體。

一個有效的被動技術改善微通道結構增強表麵,其中包括不同截麵式微通道(21,22雙層鞏膜(上),23,24),改變流動方向(25,26),凹槽的側麵或底部牆式微通道(27,28,29日,30.,31日),縱向渦發生器(32,33]。上述方法可以有效地提高傳熱性能和產生更好的整體性能。傳熱強化機理應用於表麵增強技術可以得出結論主要是:(1)擴展傳熱領域,(2)打斷熱能和水動力邊界層,和(3)提高對流或減少溫度梯度通過漩渦。

槽通常是嵌入到微通道,因為他們可以誘導流擾動中扮演一個重要的角色在傳熱性能增強。conde et al。28)發現,深溝槽增強整體傳熱係數,少而淺的形狀效應。中度深溝槽導致近75%更高的平均對流換熱係數與大約35%從湍流條件下更大的壓力損失。茶等。29日)的最優結構和傳熱特性進行了探討溝槽的幫助下計算流體動力學在鞏膜。Solovitz et al。30.)流特性和槽結構的關係進行了研究,與粒子圖像測速技術顯現的幫助。他們建議最優形狀涉及更深層次的槽,增強大於35% depth-to-width比率在0.3和0.5之間。

從上麵的研究,以往的研究主要集中在側壁或底部凹槽對傳熱性能的影響。然而,很少有人注意到溝槽側壁和底部表麵交叉連接。連接槽內微通道側壁和可能改變流動誘導強烈的徑向和橫向對流以及微通道的溫度梯度。郭et al。34,35]表明,指導流沿著溫度梯度是有利的為提高傳熱層流流場。因此,連接槽是一種很有前途的被動傳熱傳質增強技術已經應用於被動混合器。楊et al。36]研究了應用程序的連接槽微混合器實驗。他們的研究結果表明,連接槽誘導一個強烈的橫向流體領域,從而產生了巨大的微混合器混合增強。他們的工作表明,連接槽在微器件中的應用的研究是非常重要的,啟發我們檢查連接槽成微通道係統的引入,從而引導流體沿著溫度梯度(徑向和橫向微通道)。理解很重要連接槽的影響在微通道散熱器的傳熱性能。然而,關於這一主題的調查相對罕見,更需要關注這個話題。目前的研究集中在連接槽對流體流動的影響和微通道散熱器的傳熱性能。特別是,詳細分析和評價的總體性能的連接槽微通道熱沉進行了從流程的角度和熱力學第一和第二定律。

幾何構型

不同的模型圖和幾何參數對於圖所示1。寬度W_ch微通道是1.5毫米,深度H_ch0.75毫米,和相應的水力直徑1毫米,因此微通道。長度l微通道是40毫米,壁厚t0.25毫米0.5毫米,槽深、槽底部的夾角45°。組中的每個槽的間距是1毫米,每組2.5毫米的間距。所有樣本標記如下:A型(連接槽微通道),B型(底槽微通道),C型(旋轉槽微通道),D型(側牆槽微通道)和E型(光滑矩形微通道)。

控製方程和邊界條件

在這項研究中,一個微通道被選為模擬微通道熱沉的對稱性。采用固液耦合模型,以銅為固體域和去離子水流體域。流體域界麵邊界條件應用於域之間的接口。在微通道入口(x= 0),一個統一的速度(u_在= 0.08 - -0.36 m / s)和溫度(T_在= 298 K)了。一個統一的熱通量,(問_w= 100千瓦/ m²)是應用於微通道散熱器的底部(z= 0)。在微通道出口(x= 40毫米),采用pressure-outlet邊界條件P_出設置為零。所有其他的牆壁被分配絕熱,無滑動邊界條件。結構化網格和局部網格加密方法應用鞏膜。的計算網格型微通道如圖2。

數值計算是基於一些假設,包括:(1)單相不可壓縮層流;(2)連續和穩定的流動;(3)熱輻射和體積力被忽略了;(4)流體粘度是溫度的函數,而另一個固體和流體的物理參數是常數;和(5)粘性耗散被忽視了。

相應的連續性方程、動量方程和能量方程研究了流體域的方程式。(1)- (3),表示為

固體區域,隻有能量方程被認為是進行傳熱分析,其速度是0,顯示為

在下標f和年代分別表示流體和固體;U流體速度,m / s;P爸爸的壓力,;T溫度,在K;ρ流體密度,公斤/米³;c_p比熱,在J /(公斤·K);λ熱導率,W / (m·K);和μ的粘度,Pa·s。的μ是溫度的函數,表示為情商。5)[22),

解決方法和網格獨立測試

控製方程的離散和解決二階逆風和流利的SIMPLEC算法軟件,融合剩餘的10⁻⁶。網格獨立驗證被用來測試不同網格數量對計算結果的影響。以B型為例,使用結構化網格和局部網格細化方法和牆部分加密。三個網格大小選擇獨立測試,包括網格數量為080萬(稀疏),150萬(密度)和180萬(密度極高)。平均壓降和平均努塞爾特數(ν)計算u_在= 0.36 m / s。偏差的平均壓降使用從180萬年的0.8和150萬年的網格網格分別為7.2%和2.3%,分別。偏差的ν使用從180萬年的0.8和150萬年的網格網格分別為5.3%和1.5%,分別。因此,150萬年網格用於B型微通道。

雷諾數(再保險)和水力直徑(D_h)使用方程式計算。(6)和(7),分別為

在哪裏W_ch和H_ch分別是微通道寬度和高度。

平均摩擦係數f和壓降\δp (\ \)在微通道入口和出口處標使用方程式計算。(8)和(9),分別為

在哪裏l_ch微通道長度,P_在和P_出進口和出口壓力,分別。平均ν被表示為情商。10)。

在哪裏問_合計是總熱流,問_合計=問×一個_w;一個_w加熱區域;T_w散熱器底部的溫度;一個_t是固液界麵麵積,T_出是出口的質量加權平均溫度。

有效的能量被工作流體,問_eff得到從情商。11)。

在哪裏\ ({m} \ \點)質量流率。

\(\眉題{{T_ {w}識別}}\)微通道的平均壁溫,被定義為情商。12)。

在哪裏\ (T_ {w,我}\識別)給藥

綜合評價因素壓電陶瓷被定義為

在哪裏ν₀和f₀是平均ν分別和光滑矩形微通道的摩擦係數。

的熱阻R_T微通道被定義為

在哪裏T_w,_馬克斯散熱器底部上的最高溫度,在K,然後呢一個_w微通道的受熱麵。

field-synergy角β(35傳熱的不同的式微通道被定義為情商。16)。

在越小β是,更好的溫度和速度場的協同效應。

由於傳熱和流動的不可逆過程熵產生的溫度年代_T和流動熵產生年代_P被定義為方程式。(17)和(18),分別。

在哪裏u, v,w速度的組件功能嗎x,y,z -方向,在m / s。總熵產生年代計算了情商。19)。

無因次熵計算生產情商。20.)。

在哪裏\ ({m} \ \點)質量流量;\ (S_ {T} ^ {*} \)是無量綱溫度熵;\ (S_ {P} ^ {*} \)是無因次熵流,\ (^ {*}\)是無量綱的總熵。

用實驗數據驗證

數值解的精度和可靠性驗證進行一個實驗來檢查B型的單相傳熱層流式微通道。流循環的原理和圖像的實驗裝置如圖所示3分別(a)和(b)。去離子水作為工作流體和流通,通過流循環齒輪泵(gat23 - db - 380 b,微型泵Inc .,溫哥華,佤邦,美國)的貯液器。測試循環水流通過流量計與2.5%的不確定性。退出流量計後,水通過一個恒溫水浴水維持所需的測試區入口溫度的不確定性0.1℃。離開測試區,水的水流通過冷凝器冷卻,然後返回到貯液器。

微通道的測試區由樣本,頂板(不鏽鋼),壓克力板,聚醚醚酮流住房、聚四氟乙烯絕緣塊,9加熱棒,加熱銅磚(圖4)。示例包含8 B型式微通道使用數控銑削製造。加熱銅磚筒加熱器內部由矩形剖麵上部的20毫米×40毫米,這是相同的背後表麵微通道樣品。微通道樣品粘在銅塊使用一層很薄的導熱矽脂,以減少接觸熱阻。九筒加熱器,連接到一個數字功率計,提供的總功率80 W的測試部分。5 k熱電偶的不確定性0.3℃嵌入銅磚2毫米的距離低於銅磚的頂麵測量的壁溫分布式微通道(T₁- t₅)。兩個k熱電偶(T₆- t₇)被用來測量加熱銅磚的導熱係數根據一維傅裏葉熱傳導定律。這七個熱電偶的位置是描繪在圖4。進口和出口的溫度檢測到兩個k型熱電偶,設置在約5毫米微通道前後樣本。收集所有的溫度和流速的安捷倫34970數據采集係統(安捷倫科技有限公司,聖克拉拉,CA,美國)。

實驗的入口溫度25℃和熱通量的100千瓦/ m²。在每個測試,提供電力和入口溫度是常數和不同再保險數字(208 - 430)是通過調節流量。對比實驗和數值平均水平νB型微通道顯示的差異ν之間的模擬結果和測試數據在5%以內,表明這裏的數值解是可靠的(圖5)。

流動分析

眾所周知,流體流動傳熱性能有著重要的影響。一個有效的強化傳熱方法製作溝槽微通道底部,因為由此產生的漩渦可以促進流體流動沿溫度梯度。在這部分的研究中,溝槽式微通道的強化傳熱機理進一步研究通過檢查不同的鞏膜的流線。流線被截獲x= 11.4為分析(圖20.4毫米6)。簡化的類型顯示的總速度v_B在底部槽的類型可以分解成v_Bx和v_通過,v_通過沿著y的溫度梯度方向設在,dT/ dy(圖6(a))。不同與傳統的側壁流體(28,31日],側壁流體類型被認為有一個額外的速度分量v_深圳沿著z設在。總速度v_年代(在側壁槽)類型的分解成v_sx和v_深圳,v_深圳沿著溫度梯度方向的dT/ dz。上述分析表明,連接槽強化對流y和z方向。根據場協同原理(35),得出的結論是,連接槽改善熱轉換性能由於連接槽強化流體對流以及溫度梯度。類似於A型,B型的簡化也引導流沿著溫度梯度方向的dT/ dy在圖6(b)。然而,一些中心在b型流體仍然順著x設在,這可能是由於槽深度過小影響中心流體。D型是一個典型的側壁槽微通道(圖6(c))。流體是困在側壁槽,主要是橫向漩渦的形式,對槽液有一定的幹擾作用,但中央流體的影響不大。類似的結果也被記錄在一項研究[28]。

壓降

所有樣品單調遞增趨勢提出了一個壓降與雷諾數增加,其他報告是一致的。此外,凹槽也影響了流動阻力。壓降曲線不同再保險顯示,ΔP的溝槽式微通道明顯高於光滑式微通道在同一再保險在圖7。這是因為凹槽的存在導致了渦旋形成使液體偏離主流方向,從而增加了流動阻力。例如,ΔP類型的平均高出84.3%的E型由於流體旋渦。此外,ΔP隨微通道結構,這樣ΔP類型被認為是高於其他溝槽式微通道,輸入一個包含凹槽底部和側壁凹槽。此外,ΔP類型的C類型的高於E但低於所有其他溝槽式微通道。槽C類型的安排已經確認符合簡化的形象比其他類型的鞏膜(37]。流體速度變化越少,流動阻力越小。因此,ΔPC是低於其他類型的溝槽式微通道。它也觀察到,增加再保險,ΔP差異不同的式微通道變得更加顯著,這表明槽對流動阻力高更大的影響力再保險。

傳熱性能

的ν的溝槽式微通道明顯高於順利下相同再保險(圖8一個)的順序ν值在所有微通道樣本,從大到小是A型> B > C > D > E。的ν類型的A, B, C和D分別為106%,73.4%,50.1%,和12.6%高於E型,分別。結果發現,平均水平ν輸入一個大於的簡單疊加類型B和D (106% > (73.4% + 12.6%))。這表明,輸入一個大於的傳熱性能的簡單疊加類型B和d的原因是連接槽將胎側流從橫向縱向渦流(縱向速度組件v_深圳沿著z基於4.2節設在)。的存在v_深圳促進了流體的熱邊界(微通道的底麵)流向冷邊界(絕熱板上部)。因此,其整體的傳熱比D型隻有側壁凹槽和B型隻有底部的凹槽。的ν不同類型的底槽式微通道,B和C,也發現大於D型,表明底部凹槽對傳熱的影響更重要比側壁凹槽。

工程師總是追求式微通道低流阻和高傳熱性能。然而,傳熱強化的方法通常是伴隨著壓降損失。ν/ν₀和f/f₀反映傳熱性能和流動阻力的差異不同溝槽式微通道和一個矩形微通道(圖8(b)和(c))。ν/ν₀和f/f₀幾乎增加而增加再保險公司和變化ν/ν₀和f/f₀與再保險表明,凹槽的存在同時增強了傳熱性能和流動阻力。因此,最佳的微通道結構仍然沒有獲得。

綜合評價的因子(壓電陶瓷)被廣泛用於評估不同鞏膜的綜合表現。時的值壓電陶瓷> 1,微通道的綜合性能是有效地改善,和其他值表明性能低於或等於一個光滑的微通道。在這裏,壓電陶瓷價值觀不同的溝槽式微通道都> 1,從大到小的順序壓電陶瓷被類型> > C > B D(圖8(d))。

平均壓電陶瓷值的類型A, B, C, D為1.90,1.62,1.22,和1.06,分別,這暗示小說類型的連接槽表現出最佳的傳熱性能在所有出現鞏膜。這些結果表明,盡管溝槽微通道流動阻力增加,增量增加傳熱仍大於流動阻力。與此同時,壓電陶瓷曲線表現出類似的趨勢ν/ν₀,這表明傳熱增強是一個主導因素的研究範圍再保險。

Field-synergy角度

先前的許多研究表明,槽有不同程度的field-synergistic特點(38,39]。變化的協同角β、速度矢量之間的夾角和流體的溫度梯度,不同的鞏膜(圖檢查9)。的β價值被認為與增加減少再保險公司而明顯的差異β觀察不同式微通道。的β接近90°E型,這是最大的field-synergy角度觀察和表明,協同效應在E型很弱,幾乎沒有合作。這一發現與流分析結果(圖是相一致的6)。在所有這些不同的式微通道中,β是最小的和波動型~ 87°,這表明A型field-synergistic最好的效果,從而獲得最強的傳熱性能。協同效應的順序從大到小輸入> > C > B D > E,這是與傳熱分析(圖一致8(一)因此,仿真結果驗證了場協同理論(34,35]。

熱阻和壁溫分析

溫度均勻性起著重要的作用在延長生命的電子元件和微反應器的性能。微通道散熱器是一種有效的手段降低熱阻,提高溫度均勻性。熱阻曲線R_Tvs。再保險顯示,R_T逐漸減少與增加再保險(圖10)。這是由於流體平均溫度降低,增加傳熱係數(22]。然而,減量R_T變得不那麼高再保險,這是由於壓降增加迅速、高傳熱係數增加緩慢再保險,這意味著它是不足以減少R_T隻有通過增加流體的速度。在同一再保險,R_T溝槽式微通道的值都明顯低於E型,表明更好的整體性能。特別是,R_T類型的類型的近一半,E,這表明凹槽幫助改善傳熱性能。的順序R_T從大到小輸入< B < C < D < E,也是與傳熱性能的順序一致。

熵分析

對流換熱過程中,傳熱和流體流動都是不可逆過程熵的一代。熵產量越小,能量利用率越高。無因次熵產生不同的曲線再保險表明,無量綱溫度熵\ (S_ {T} ^ {*} \)減少與增加再保險(圖11(a))。這個結果的原因是,增加再保險導致改善傳熱性能,導致更均勻流體溫度和減少\ (S_ {T} ^ {*} \)。無因次流熵\ (S_ {P} ^ {*} \)增加而增加再保險(圖11(b))。接受了這些結果的原因是高熱能的流動阻力增加造成不可逆轉的損失高再保險。然而,\ (S_ {P} ^ {*} \)E型是在這裏找到的最小,其次是C型,是因為槽安排C型更符合微通道溝流的趨勢。這一發現也符合摩擦壓降和阻力的分析(數據6和7(c))。無因次熵總產量\ (^ {*}\)是近似使用\ (S_ {T} ^ {*} \)(圖11(c)),這也減少了與增加再保險,因為\ (S_ {T} ^ {*} \)在傳熱過程中占主導地位。所有\ (^ {*}\)溝槽式微通道也觀察到低於E型,其次是類型B, C, D, a .最低\ (^ {*}\)表明,連接類型的槽型沿著溫度梯度導致流體流,導致能源利用率最高的國家。的N_年代,的溝槽式微通道都明顯低於E在相同的類型再保險,這意味著槽傳熱過程中提高能源的利用率(圖11(d))。的N_年代,類型也被視為最低,這與前麵的結論是在協議類型最有效的能源利用。

在這項研究中,一種新穎的微通道,輸入,連接槽的設計。A型的傳熱性能和其他微通道類型進行了探討,並通過仿真比較再保險在從118年到430年不等。

1. 1)

   連接槽穿過微通道側壁和底部表麵都證明提供非凡的流場沿溫度梯度和提高傳熱質量,而隻在側壁凹槽或底部。類型提供的傳熱效率優於簡單疊加類型B和d .平均水平壓電陶瓷值類型的A, B, C, D為1.90,1.62,1.22,和1.06,分別進行了研究再保險。

2. 2)

   仿真結果也驗證了場協同理論,這表明A型的協同角是最小的在所有這些鞏膜,意味著它的協同效果是最好的。場協同分析與傳熱性能的分析結果是一致的。

3. 3)

   無因次熵分析表明,凹槽可以提高能源利用率和熵產生數N_年代,的溝槽式微通道都明顯低於1。與此同時,N_年代,類型的一個是最低的再保險,表明連接槽式微通道的能源利用是最有效的。

自然科學基金(批準號51922092),中國福建省自然科學基金(批準號2017 j06015),裝備預研基金(批準號61409230206),重點實驗室的開放基金冶金設備和控製教育部在武漢科技大學(批準號MECOF2019A01)。

作者和聯係

1. 機電工程係,廈門大學,廈門,361005年,中國

   鼎元,魏周董&慶餘

2. 冶金設備和控製技術重點實驗室,武漢科技大學,武漢,430081年,中國

   Ting傅

貢獻

DY構思的想法,完成了實驗,寫了初稿。WZ提供了資金援助,監督工作,並編輯草案。關於數值模擬特遣部隊提供建議。QYD協助與傳熱實驗。所有作者閱讀和批準最終的手稿。

作者的信息

鼎元,目前博士後機械與電氣工程係,廈門大學,中國。她收到了她的博士學位華南理工大學,中國,2018年。她的研究興趣包括微觀和納米製造技術、微通道換熱器,傳熱傳質。

周,目前教授機械與電氣工程係,廈門大學,中國。

傅Ting,目前副教授冶金設備和控製技術重點實驗室,武漢科技大學,中國。

Qinyu盾,目前本科機械與電氣工程係,廈門大學,中國。

相應的作者

對應到魏周。

相互競爭的利益

所有作者聲明沒有競爭的經濟利益。

開放獲取本文是基於知識共享署名4.0國際許可,允許使用、共享、適應、分布和繁殖在任何媒介或格式,隻要你給予適當的信貸原始作者(年代)和來源,提供一個鏈接到創作共用許可證,並指出如果變化。本文中的圖片或其他第三方材料都包含在本文的創作共用許可證,除非另有說明在一個信用額度的材料。如果材料不包括在本文的創作共用許可證和用途是不允許按法定規定或超過允許的使用,您將需要獲得直接從版權所有者的許可。查看本許可證的副本,訪問http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。

再版和權限