非圆形截面微通道冷凝相变传热性能的实验研究开题报告

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1. 研究目的与意义

有关微通道传热的研究最早是上世纪80年代，随着微机电系统的迅速发展，芯片的集成度的提高，传统的散热方式不再满足元件的散热需求，微通道散热器以结构紧凑、换热效率高、质量轻、运行安全可靠、传热温差小等特点独具优势，不同结构的微通道称为业界研究前沿。

到目前为止，横截面为圆形的微通道内的流体流动和换热的理论以及实验己经相对比较成熟，但是很多工程上都会涉及到非圆管微通道的对流传热，通常情况下是将圆管的经验公式应用到矩形、梯形、三角形等截面的微通道中，对于层流采用圆形管截面微通道的关系式得到的精度是很低的，特别是在有锐角时更是如此；很多学者和研究人员也针对不同截面的微通道内流体流动和换热的理论、数值模拟及实验进行了研究，但结果不尽相同，甚至对一些问题的研究是相互矛盾的，许多微通道内对流传热问题依旧没有定性的结论。

随着科学和技术朝着微型化、集成化和智能化的迈进，电子设备朝着小型化、微小型化和集成技术迅速发展，微电子设备组装进入一个新时代，单芯片上的高热流密度也随之急剧增加，严重影响芯片的工作性能，为了生产加工以及后期保养的方便，需要研究出不同形状的微通道截面的传热性能。

2. 国内外研究现状分析

国外：早在1981年，美国学者tuckerman和pease[1]首先提出微通道热沉，并在集成电路的硅板芯片背面通过蚀刻做出矩形微通道，以水作为工作流体，带走芯片上的热量，达到冷却目的，他们通过实验对热通量为790w/cm2的芯片进行冷却，能够保证芯片的温度在71度以下，与理论值之间的结论保证在误差允许的范围内。

南阳理工大学的s.h. chong. k.t.ooi和t.n. wong[2]基于多变量约束直接搜索优化算法，对6mmx6mm芯片上得单层(sclf )和双层dclf )矩形微通道进行优化，并通过数值模拟验证，在层流和湍流情况下的热阻为0.480和0.069 k/w，单层和双层矩形微通道内的压降分别为122.4和56.41kpa，保证芯片的温度在370k以下。

美国本田研究所kwasi foli等人 [3]采用数值模拟和多目标遗传算法两种方法对单层矩形微通道的大通道进行优化计算，并给出具体的单通道优化尺寸，并以压降和热传递效率作为目标函数，使用nsga-11程序对其进行优化计算，通过对多个单通道进行数值模拟，提取压降、传热量、热通量随通道高宽比的变化曲线，选取散热性能较好并且压降较低时的高宽比，其中较优的尺寸。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容： （1）建立矩形微通道三维数值模型，通过模拟矩形微通道来研究并获得不同进口流速下微通道的冷凝传热与流动性能的影响规律。

将模拟数据与实验数据进行比较，验证模型的准确性；（2）基于fluent对水蒸气进行数值模拟研究，研究三角形、梯形的微通道冷凝传热过程，分析冷凝传热系数和速度场、温度场、压力场与相变云图。

（3）根据模拟分析结果，设计并提出一种强化传热新型截面形状，并通过数值模拟与常规非圆形截面形状微通道比较分析，获得新型截面形状微通道的传热性能与阻力特性。

4. 研究创新点

1.大部分关于微通道的文献与论文都是基于固定的截面形状进行研究，但是对比不同截面形状下特别是非圆形截面微通道的传热性能的实验研究较少，而本课题就弥补了这块的空白。

2.对微通道内流体和换热的基本情况进行简化，基于传统的流体力学和传热学基础，在微通道中选取微元体进行质量守恒、动量守恒、能量守恒分析，得到其动量微分方程和能量微分方程，据基本假设求解微分方程，得到微通道内流体的温度和速度分布近似解析解，解析解为含有参数的温度场和温度场的近似表达式，进而推导得到对微通道内流体流动和换热特性具有代表性的系数(泊肃叶数和努赛尔数)的近似解析解。

3.基于商业软件fluent平台，随机选取单微通道的尺寸结构进行数值模拟，并提取数据推导得到努赛尔数和泊肃叶数，同理论推导得到的结果进行对比，验证理论近似解结果的正确性。