微通道传热学

通道式换热器是利用传热学原理将热量从热流体传给冷流体的,冷热流体分别在固体壁面的两侧流过,热流体的热量以对流和传导的方式传给冷流体。由于它结构紧凑、体积小、换热效果 好,已广泛应用于红外探测、电子设备、生物医疗等工程领域的冷却中。然而随着现代科技水平的不断发展,被冷却的器件、设备其功能越来越强大,体积和重量越来越小,结构趋于复杂化,散热要求越来越苛刻,迫使采用通道式换热器的制冷器件向小型化、甚至微型化的方向发展,尤其是半导体激光器、T/R收发组件、微电子集成器件等电 子仪器、设备对这方面的要求更高,于是微通道换热器(特别是微型节流制冷器MMR)的研制开发已迫切地提到了议事日程上来。随着微加工技术的迅速发展及在生物芯片、微电子机械及分析仪器上的应用,微细尺度传递问题已成为各国研究重点. 在第8届全英传热学术会议上,微观传热传质问题成为探讨的热点;在第二届美日联合研讨会上,加州大学田长霖教授作了”分子及微尺度输运现象”的重要学术报告^{[ 1 ]} . 传递系统的微型化给传统的化学工程学科带来了新的挑战,同时又给该学科的发展注入了新的生机. 随着系统尺寸的缩小,分子的”连续流”假设遭到破坏,从而使传统的动量、质量及能量传递方程不再适用,此时得不从经典或量子统计力学、分子动力学等理论中寻找规律来重新建立传递方程. 关于微细通道流体动力学的研究可追溯到1908年Knudsen对平面槽道气体流动的实验,近年来随着电子元器件集成度的提高,大规模、超大规模集成电路散热量日益增加, 20世纪80年代中期为5 #215;105 W /m2 ,现已增到106 W /m2 量级. 20世纪80年代初, Tuckerman^{[ 2 ]}在芯片背面采用水冷却矩形槽道,散热能力达到790W / cm2. 相变传热具有更高的散热能力, Bowers等^{[ 3 ]}于1994年对直径分别为2154mm及0151mm的传热管,用CFC113进行了实验,发现在很小流量下即可达到很高的热流密度,但没有作深入的理论分析. 彭晓峰等彭晓峰等^{[ 4 ]}对水和甲对水和甲醇在微矩形槽内的沸腾传热进行了研究,并提出了”拟沸腾”的新概念. Wahib等^{[ 5 ]}用R134a作为工质分别对018, 112, 117mm的微细通道进行了实验,发现微细通道尺寸的减小会引起传热系数的提高,并发现传热系数在其实验参数范围内与质量流量及质量含气率的关系不大; Bao等^{[ 6 ]}以R12、HCFC123作为流动工质对1195mm的微通道进行了实验,所得结论类似; L ie等^{[ 7 ]}通过实验研究了质量通量及热流密度对气泡的跃离直径与跃离频率的影响,并给出了传热系数计算的实验关联式. 文中建立了单一气泡的发展演化模型,分析了系统的L ie结构,探讨了系统出现混沌的可能性并得出了相应的奇异吸引子相图,从而为进一步获得微尺度相变传热计算公式奠定了基础.

所谓微通道换热器即是采用拉丝或光刻等技术在金属、玻璃等基材上刻出几十至几百微米的细微槽道来构成换热器的壁面,再采用焊接或胶粘等方式形成封闭腔体来进行冷热流体的热交换,达到制冷的目的。国外对微通道换热特性的研究较多,但主要是进行直线微通道换热器特性的研究,早期关于其流动问题的研究是在微型Joule-Thomson制冷技术中完成的,由美国斯坦福大学利特尔(W.A. Little)教授发明,采用现代半导体光刻加工技术, 在微晶玻璃薄片上刻出几微米到几十微米的细微直线槽道,并采用胶粘技术构成气流的微型换热器、节流元件和蒸发器,从而获得了一种结构新颖的微型平面节流制冷技术以及一定的成果和专利。目前已经开发成微型制冷器,用于低温电子器件的冷却

伴随机械系统向微小尺寸、高集成度、多功能化趋势的发展,系统产生的热流密度越来越大,传统的强制风冷散热已不能满足散热需求,以微通道冷却技术为基础的微散热器具有体积小、散热效率高等特点,能在小面积内实现高效导热,为微机械系统的散热提供了最有前景的解决方案。本文研究微散热器内流体通道(微通道)的结构参数对工质流动及传热特性的影响规律,为微散热器散热性能提高及结构优化提供理论参考,本文开展的主要工作有： 首先,分别对流体通道截面形状为矩形、三角形、梯形和半圆形的微散热器进行数值模拟研究,结果表明,在相同条件下,矩形流体通道微散热器具有更佳的散热性能。 其次,对矩形流体通道微散热器的流动及传热特性进行理论研究,分别建立了阻力系数、总压降、Nu数的数学模型,得出它们在不同水力直径和入口速度下的理论预测值。最后,对不同水力直径的矩形流体通道微散热器的流动及传热特性进行数值模拟和实验研究,并将模拟和实验结果与理论预测值进行对比,得出相关结论,同时分析误差产生原因,并对流动及传热参数的理论模型进行修正,得出在微散热器中更为适用的流动与传热模型。

一、数值传热学 数值传热学又称计算传热学，是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法，通过计算机求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。本课程的目的是使学生掌握一种能够预测传热与传质、流体流动过程的数值方法，用以解决工程实际中大量存在的且用解析方法难以解决的传热与流体流动问题。但由于数值传热学比较抽象、枯燥、难懂，应用的数学知识较多，大部分学生对该课程都有某种程度的畏惧感。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是利用数值方法通过计算机求解描述流体流动的数学方程，获得空间和时间离散位置处的数值解，揭示流动的物理规律和研究流动的物理特性的学科，目前已成为国际上一个强有力的研究领域， 是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计等诸多工程领域。随着计算机技术不断发展与进步，一些教学工作者已尝试将CFD技术应用到”工程流体力学”、”传热学”、”空气调节”等课程的教学中，取得了良好的教学效果。

将先进的CFD技术引入”数值传热学”教学中，生动、形象地展示各种数值方法的计算结果，将抽象的概念、理论变成形象的画面，并结合基础理论进行对比讲解，加深学生对相应知识的理解，从而达到激发学生的学习兴趣，改善教学效果的目的。本文首先给出数值传热学与CFD之间的关系，然后通过实例说明了CFD技术在”数值传热学”课程教学中的应用，并指出教学中应注意的问题。

数值传热学的基本思想是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场、温度场、浓度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点变量值之间关系的代数方程^{[ 9 ]}（称为离散方程），求解所建立起来的代数方程以获得求解变量的近似值。该思想与CFD技术一致，所以数值传热学属于CFD的范畴，但两者又有所区别。数值传热学更侧重于对各种理论模型或数值方法的对比讲解，而CFD技术则常根据具体问题选择各种模型和方法^{[ 10 ]}，进而得出某些有用的结果。将两者有机地结合起来，互相补充，相得益彰，能够有效提高教学效果。

二、CFD技术在”数值传热学”教学中的应用实例

进行CFD数值模拟计算常用的软件有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。CFD软件都包含有三个主要的功能部分：前处理、求解器、后处理。其中前处理是指对计算对象进行建模、生成网格和选取边界面等；求解器是指求解控制方程组的程序；后处理是指对计算结果进行输出、显示。下面应用Fluent专用前处理器Gambit、求解器Fluent和后处理软件Tecplot等，介绍CFD技术网格生成技术是数值传热学的重要组成部分，是对物理区域进行离散以生成计算区域网格的方法，其实质是用一组有限个离散的点^{[ 11 ]}来代替原来连续的空间。网格质量的好坏直接影响数值结果的精度^{[ 12 ]}，甚至影响数值计算的成败。

网格主要有两种：结构网格和非结构网格。结构网格的最大特点在于网格中节点排列有序，邻点间关系明确，结构简单，构造方便；非结构网格舍去了网格节点的结构性限制，易于控制网格单元的大小、形状及节点位置，灵活性好，对复杂外形的适应能力强。在结构网格中，常用的二维网格单元是四边形单元，三维网格单元是六面体单元；而在非结构网格中，常用的二维网格单元还有三角形单元^{[ 14 ]}，三维网格单元还有四面体单元和五面体单元。为了让学生有一个直观的理解，可利用Gambit软件对突扩管进行网格划分，分别用四边形和三角形单元得到结构网格和非结构网格。在网格划分的过程中，引导学生发现两种网格划分方法中节点的排布规律，两种方法对几何形状的适应同等，对之后内容的讲解大有益处，达到事半功倍的效果。