流体横掠微针肋热沉内流动与传热特性研究

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1、北京‘丁业火学T学硕t学位论文果不及时消除因耗散功率所转化的热量，势必造成结温升高，从而使激光器的阈值电流升高，效率降低，激光波长发生严重温漂，更致命的是使激光器的寿命下降。因此如何及时消除因耗散功率所转化的热量，解决散热冷却问题就成为研制大功率半导体激光器必须攻克的技术之一口1。1．2相关领域的研究基础高新技术的发展加速了微尺度传热学的研究，这已经成为当前传热学研究的重要前沿课题之一。为解决先进设备与器件的热负荷不断增大的问题，国内外正在积极着手研究各种具有不同传热机理的微型冷却器，如微热交换器、微冷冻机、微通道热沉、微射流阵列热沉、微热管均热片及整合式微冷却器等。其中微通道热沉

2、由于加工制作技术比较成熟，得到了人们较多的关注。现在科技的飞速发展和能源问题的日益严峻，同时也向传热强化研究方面不断提出新的挑战。近年来，国内外的学者们在强化换热的具体实施途径和手段上投入了大量的精力，这些研究成果可应用于微尺度传热学中，加速科研工作的进程。自上世纪80年代初，微通道内的流动和换热开始受到人们的关注。微通道热沉最早由D．B．Tuckermarl[4】提出，他指出将尺寸降低至微尺度下，使用液体冷却换热器可驱散高达1000W／crn2的热流密度。他所描述的微通道热沉的结构是：在集成电路的硅衬底背面用化学方法腐蚀若干矩形沟槽，用盖板耦合构成封闭的冷却剂通道，密封与外界的连

3、接而形成冷却剂回路。器件产生的热量通过联结层而传导到热沉，被微通道中流动的冷却剂带走以达到对集成电路芯片散热的目的。此后，人们便对微通道中单相‘5卅和沸腾‘7。91情况的传热和流动机理进行了深入的探察和研究，现已存在这方面的换热关系式和流型鉴定方法。到目前为止，微通道热沉已被应用于微电子、微型热交换器、微型机械冷却等领域当中，它的优越性在于传热面积大、热扩散距离短[10】。在微通道热沉的研究基础上，结合相应地对流换热强化技术，研究和制备更加高效的换热器，以应用于体积更小、速度更快、具有更高功率密度的电子元件，这便是微型热沉新的发展方向。微机加工技术的日臻完善，使研发极其紧凑高效的热

4、沉成为可能。在这种情况下，一种性能优越的微型热沉——檄针肋阵列热沉[1H2]已经受到人们越来越多的关注。从结构上看，流体横掠微型针肋阵列热沉是在微通道内敷设与主流流体流动方向垂直的针肋阵列，限制在通道中的流动是典型的内部流动情况，而经过针肋的横向流是典型的外部流动情况，可以说，微针肋热沉是内部流动和外部流动第1章绪论的结合体，与微通道或其他微型热沉相比，它能更好的强化热沉的对流换热。几乎在所有的热沉研究中，其根本目的就是强化热沉的对流换热。对流换熟是指流体流过另一物体表面时对流和导热联合起作用的热量传递方式【13】。对流换热的基本计算式为牛顿冷却定律，其中增加换热面积和增加对流换热

5、系数可以增大换热量，可用以强化换热。对流换热强化的分类，最广为人们接受的是Berglcstl¨7】的分类方法，依据是否需要额外的动力划分为无源(被动)技术和有源(主动)技术。按照Bergles的分类，无源(被动)技术分为下列8种：(1)处理表面：用机械或化学的方法将换热表面处理成多孔表面或锯齿形表面，多用于相变换热。(2)租糙表面：表面粗糙元的微观结构几何尺寸比通道几何尺寸小的多，但比处理表面的尺寸大，用于增加壁面附近的流体湍流度、减少粘性底层厚度。(3)扩展表面：扩展表面的翅片几何尺寸比粗糙元要大很多，目的是增大换热面积，它广泛用于各种对流换热场合。(4)扰流元件：扰流元件一般是

6、设置在通道中的与介质流动方向垂直的柱体，它不仅能对介质的流动起到扰动作用，而且还能增加传热面积。(5)旋流发生器：旋流发生器是在流动通道中放置的扭曲带、螺旋叶片等，目的是使层流流动中产生强烈的涡动，从而强化换热。(6)螺旋管：对流动通道本身进行弯曲或扭曲，使流体产生与主流方向垂直的二次流动从而强化换热。(7)表面张力器件：换热表面的某些特殊结构，如多孔结构。(8)添加物：向介质中加入特殊的添加物能够在一定条件下有效地提高其换熟系数，或减小流动阻力。属于有源(主动)强化技术的有：机械搅动；表面振动；流体振动；电磁场；喷注或抽吸；射流冲击。流体横掠微针肋热沉具有的基本结构是在通道中设置

7、与介质流动方向垂直的针肋(或称扰流元)，针肋不仅能极大的增加有效传热面积，还可对介质的流动起到扰动作用，增强换熟。从强化换热手段看属于强化换热中的扰流元件类型。1．3课题的研究现状在换热表面敷设针肋阵列可有效拓展传热面积，强化换热。从流体冲击针肋的角度来看，针肋阵列热沉可分为流体横掠针肋和流体纵掠针肋两种型式。1．3．1流体纵掠针肋阵列热沉迄今为止，在宏观尺度下关于流体纵向冲刷敷设针肋阵列表面时传热特性北京工业大学工学硕：七学位论文的研究开展得十分广泛。Copelan