林清宇，朱禮，孫瑞娟，馮振飛，劉鵬輝，何榮偉

（1.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧530004；2.滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北滄州061000）

帶次流道的波狀細(xì)通道熱沉流動(dòng)特性研究

林清宇1，朱禮1，孫瑞娟2，馮振飛1，劉鵬輝1，何榮偉1

（1.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧530004；2.滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北滄州061000）

為探究次流道對細(xì)通道熱沉流動(dòng)性能的影響，使用CFD軟件對有無次流道的細(xì)通道熱沉進(jìn)行數(shù)值模擬，分析表明，通過三種不同結(jié)構(gòu)形狀的細(xì)通道熱沉流動(dòng)特性的研究，說明結(jié)構(gòu)變化后細(xì)通道熱沉的流動(dòng)性能減弱，在通道內(nèi)流體的流動(dòng)的情況下必然損耗泵的功能。細(xì)通道同彎曲部分的流體會(huì)產(chǎn)生速度偏移，次流能影響相鄰細(xì)通道內(nèi)流體的流動(dòng)特性。

細(xì)通道熱沉；數(shù)值模擬；次流道

0　引言

自Tuckerman等[1]首次提出微通道熱沉，便吸引了大量國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。研究平直微通道熱沉的傳熱和流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)微細(xì)通道熱沉能有效進(jìn)行散熱[2-3]。有的研究者期望改進(jìn)微細(xì)通道的結(jié)構(gòu)形式以提高傳熱能力[4-5]。微細(xì)通道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)的變化對換熱性能有顯著影響。最常用的改變流動(dòng)狀態(tài)以達(dá)到強(qiáng)化傳熱手段是破壞流體流動(dòng)的邊界層。

已有研究表明彎曲通道內(nèi)由彎曲部分和離心力的綜合作用引起的二次流能提高傳熱系數(shù)[6-7]。Fan等[8]研究了有次流道的斜翅片細(xì)通道換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)特性。將彎曲結(jié)構(gòu)應(yīng)用到細(xì)通道熱沉并基于鋸齒狀細(xì)通道熱沉進(jìn)行優(yōu)化，提出一種波狀細(xì)通道熱沉，并將次流道應(yīng)用于波狀細(xì)通道熱沉中。對有無次流道的波狀細(xì)通道和常規(guī)直細(xì)通道熱沉進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并對比分析了3種細(xì)通道熱沉的流動(dòng)特性。

1　模型描述

1.1幾何模型

3種細(xì)通道熱沉的材料均選用銅，三維模型采用一般CAD軟件建立。圖1為3種細(xì)通道熱沉的尺寸結(jié)構(gòu)圖，（a）是常規(guī)直細(xì)通道熱沉CMS（conven?tional mini-channel heat sink）；（b）是波狀細(xì)通道熱沉WMS（wave mini-channel heat sink）；（c）是帶次流道的波狀細(xì)通道熱沉WMS-S（wave mini-channel heat sink with secondary passages）。3種熱沉細(xì)通道的截面均為3 mm×3 mm。在WMS的間壁上開截面尺寸為1 mm×1 mm的次流道制成WMS-S。

圖1　3種細(xì)通道熱沉的尺寸結(jié)構(gòu)圖

1.2計(jì)算模型及邊界條件

對數(shù)值運(yùn)算時(shí)的流體作出假設(shè)：流體是穩(wěn)態(tài)不可壓縮層流流體；忽略流體的體積力、表面力、黏性耗散和輻射傳熱；流體的物性參數(shù)為常數(shù)。得到簡化控制方程式（1）：

式中：u、v、w分別為x、y、z的速度分量；?=1時(shí)，表示連續(xù)方程；?=u、v和w時(shí)，表示動(dòng)量方程；?=T時(shí)，表示能量方程；Γ?為通用耗散系數(shù)；S?在不同方程中表示不同源項(xiàng)；ρ為密度，kg/m3。

熱沉的進(jìn)口為進(jìn)口速度邊界條件，速度v=0.05～0.6 m/s，入口溫度恒為300 K；熱沉的出口設(shè)為壓力邊界條件，出口相對壓力設(shè)為0；熱沉底面設(shè)為恒熱流邊界條件，熱流密度為5×104W/m2；其他壁面均為絕熱面。采用商用CFD軟件對上述方程進(jìn)行求解，收斂系數(shù)為1×10-6。

1.3數(shù)學(xué)模型

非圓管水力直徑Dh的定義如式（2）：

式中：w表示截面寬，m；h表示截面高，m。

定義Re數(shù)（Reynolds number）如式（3）：

式中：vm為流體的平均速度，m/s；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；f為流體。

表面摩擦系數(shù)f計(jì)算如式（4）：

式中：△p為進(jìn)出口壓降，Pa；Lc表示通道長，m。

2　網(wǎng)格及數(shù)值方法檢驗(yàn)

2.1網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

為保證計(jì)算精度和縮短計(jì)算時(shí)間，對CMS的網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行了驗(yàn)證。對進(jìn)口流速為0.2 m/s的網(wǎng)格數(shù)級別為粗糙級別（120萬）、精細(xì)級別（270萬）和最精細(xì)級別（430萬）的CMS進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。將粗糙和精細(xì)級別網(wǎng)格數(shù)的CMS的進(jìn)出口壓降與最精細(xì)級別網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行對比得到誤差為6.7%和1.3%?？梢娋?xì)級別的網(wǎng)格已滿足要求，因此熱沉計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)均選用精細(xì)級別。

2.2數(shù)值方法有效性檢驗(yàn)

采用文獻(xiàn)[9]中的摩擦系數(shù)公式進(jìn)行了數(shù)值方法有效性驗(yàn)證如式（5）～（7）：

式中：a=w/h表示細(xì)通道截面寬高比。

選用CMS進(jìn)行數(shù)值方法有效性驗(yàn)證，數(shù)值模擬和式（5）計(jì)算出的摩擦系數(shù)對比如圖2所示?？煽闯鰯?shù)值模擬計(jì)算出的表面摩擦系數(shù)與式（5）的計(jì)算結(jié)果吻合度較高，因此CMS采用的數(shù)值方法是有效的。3種細(xì)通道熱沉采用同樣的數(shù)值模擬方法，因此數(shù)值模擬方法是有效的。

圖2　CMS的摩擦系數(shù)驗(yàn)證曲線圖

3　結(jié)果與討論

圖3為三種細(xì)通道熱沉的摩擦系數(shù)f隨進(jìn)口流體Re數(shù)的變化?？梢钥闯?，隨著進(jìn)口流體Re數(shù)的增加，3種細(xì)通道熱沉的f均減小。WMS和WMS-S的表面摩擦系數(shù)f高于CMS，說明結(jié)構(gòu)變化后的細(xì)通道熱沉的流動(dòng)性能減弱，在通道內(nèi)流體的流動(dòng)情況下必然損耗泵功能，對比WMS和WMS-S的表面摩擦系數(shù)f，發(fā)現(xiàn)兩者機(jī)會(huì)沒有差別，說明次流道的存在并有減弱波狀細(xì)通道的流動(dòng)性能。

圖3　3種熱沉的f隨進(jìn)口流體Re數(shù)的變化曲線圖

為了進(jìn)一步探明次流道對波狀細(xì)通道熱沉流動(dòng)特性的影響，取進(jìn)口速度v=0.6 m/s時(shí)，WMS和WMS-S兩種細(xì)通道熱沉中間橫截面出流體域的速度云圖，如圖4所示。可以看出，細(xì)通道內(nèi)的流體產(chǎn)生了不同程度的速度偏移，即流體的流動(dòng)被破壞，導(dǎo)致其紊亂程度增加。WMS-S次流內(nèi)的流體速度幾乎沒有變化，說明次流道內(nèi)的流體沒有有效的參與到流體的流動(dòng)中來形成流動(dòng)死區(qū)。對比WMS和WMS-S同一細(xì)通道內(nèi)流體的流動(dòng)可發(fā)現(xiàn)，次流道的流體會(huì)對相鄰兩個(gè)通道內(nèi)流體的速度造成影響，一定程度上改變著細(xì)通道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)。

圖4　2種熱沉速度云圖

4　結(jié)論

通過對比分析了3種不同結(jié)構(gòu)形狀的細(xì)通道熱沉流動(dòng)特性，得到結(jié)論，WMS和WMS-S的摩擦系數(shù)f比CMS提高很多，而WMS和WMS-S相差不大。細(xì)通道內(nèi)彎曲部分的流體會(huì)產(chǎn)生速度偏移，次流道能影響相鄰細(xì)通道內(nèi)流體的流動(dòng)特性。

[1]Tuckerman DB，Pease RF W.High-performance heatsinking for VLSI[J].IEEE Electron device letters，1981，2（5）：126-129.

[2]Wu H Y，Cheng P.Friction factors in smooth trapezoidal sili?con microchannels with different aspect ratios[J].Internation?al Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46（14）:2519-2525.

[3]Wu H Y，Cheng P.An experimental study of convective heat transfer in silicon microchannels with different surface condi?tions[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46（14）:2547-2556.

[4]夏國棟，柴磊，齊景智.梯形硅基微通道熱沉流體流動(dòng)與傳熱特性研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37（7）:1079-1084.

[5]唐慧敏，吳慧英，吳信宇.鋸齒形硅基微通道內(nèi)流動(dòng)與換熱特性實(shí)驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2010，25（6）:1264-1270.

[6]Akhavan-BehabadiMA，Pakdaman MF，GhazviniM.Experi?mentalinvestigation on the convective heattransferofnanoflu?id flow inside vertical helically coiled tubes under uniform wall temperature condition[J].International Communications in Heatand Mass Transfer，2012，39（4）：556-564.

[7]馮振飛，何榮偉，朱禮.周向平行細(xì)通道夾套的換熱特性[J].過程工程學(xué)報(bào)，2015，15（6）:901-908.

[8]Fan Y，Lee P S，Jin L W，et al.Experimental investigation on heat transfer and pressure drop of a novel cylindrical oblique fin heat sink[J].International Journal of Thermal Sciences，2014，76：1-10.

[9]Xia G，Chai L，Wang H，et al.Optimum thermal design of mi?crochannel heat sink with triangular reentrant cavities[J].Ap?plied ThermalEngineering，2011，31（6）：1208-1219.

FLOW CHARACTERISTICS OF WAVE MINI-CHANNEL HEAT SINK WITH SECONDARY PASSAGES

LIN Qing-yu1，ZHU Li1，SUN Rui-juan2，F(xiàn)ENG Zhen-fei1，LIU Peng-hui1，HE Rong-wei1
（1.Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Vocational and Technical College of Cangzhou，Cangzhou Hebei 016000，China）

CFD software is used to investigate secondary passages for the effect on fluid flow mini-channel heat sinks.Through research on characteristics of mini-channnel heat sink of three different structures，we conclude that properties of mini-channel heat sink decrease with changes on structure，thus consumption occurs while flowing happans.The twist parts on mini-channel causes velocity shifts，flow characteristics of fluid in adjacent channels can be influenced by secondary flow.

mini-channel heat sink；numerical simulation；secondary passage

TK124

A

1006-7086（2016）05-0275-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.006

2016-05-24

廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（2105Z012）

林清宇（1969-），女，福建福州人，教授，主要從事?lián)Q熱過程裝備技術(shù)。E-mail：lingy121@gxu.edu.cn。