复杂结构微通道热沉流动可视化及传热过程热力学分析

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1、中文图书分类号：TK214密级：公开UDC：621.1学校代码：10005博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：复杂结构微通道热沉流动可视化及传热过程热力学分析论文作者：翟玉玲学科：热能工程指导教师：夏国栋教授论文提交日期:2015年6月UDC：621.1学校代码：10005中文图书分类号：TK124学号：B201105012密级：公开北京工业大学工学博士学位论文题目：复杂结构微通道热沉流动可视化及传热过程热力学分析英文题目：FLOWVISUALIZATIONANDTHERMODYNAMICANALYSISOFTHEHEATTRANSFERPRO

2、CESSINMICROHEATSINKSWITHCOMPLEXSTRUCTURE论文作者：翟玉玲学科：热能工程研究方向：强化传热及其在高新技术中的应用申请学位：工学博士指导教师：夏国栋教授所在单位：环境与能源工程学院答辩日期：2015年5月授予学位单位：北京工业大学DissertationSubmittedtoBeijingUniversityofTechnologyforDoctorDegreeofEngineeringFlowvisualizationandthermodynamicanalysisoftheheattransferprocessinmicrohea

3、tsinkswithcomplexstructureZhaiYulingSupervisedbyProfessorXIAGuodongMajorinThermalEngineeringBeijingUniversityofTechnologyMay,2015独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢

4、意。签名：翟玉玲日期：2015年6月10日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：翟玉玲日期：2015年6月10日导师签名：夏国栋日期：2015年6月10日摘要摘要在传热学领域中，存在着许多散热问题，比如微型设备的散热，具有瞬态热流密度高及传热面积小的特点，严重制约着能源动力、航天航空、生物化工、军工核能及微型电子技术等领域的发展。随着大规模集成电路技术的迅速发展，

5、微72型电子芯片单位面积的散热功率不断升高，甚至高达10W/m。为了保持微型电子器件表面温度的恒定，必须及时地去除多余热量。因此，如何解决微型设备的散热问题成为亟需解决的关键。随着微加工工艺的发展，微通道热沉由于面体比大、结构紧凑、散热效率高等优点成为解决高热流密度问题行之有效的方法之一。本文采用实验、模拟与理论相结合的方法，针对具有高热流密度发热面微型设备的冷却问题，综合考虑通道结构及工质种类两方面因素，设计具有结构紧凑、高散热性能的复杂结构微通道热沉，并建立复杂结构微通道热沉强化传热过程的热力学模型及结构优化的数学模型，为微通道热沉强化换热研究提供理论基础。主要包括

6、以下几方面内容：首先，为了解决凹穴型微通道在低雷诺数下散热不明显的问题，在此通道的基础上，在两个凹穴之间加入内肋，形成结构更为复杂的凹穴及内肋组合的微通道。并且，用数值模拟的方法研究了不同形状的凹穴及内肋组合的微通道的综合传热性能。模拟结果表明，在凹穴区，由于面积突扩流速减小，容易引起层流分层，形成旋涡，有利于冷热流体充分混合；而在肋区，由于面积突缩流速增大，流体质点能保持相对大的动能快速地流过凹穴段，防止形成层流滞止区。总的来说，凹穴及内肋组合的微通道能明显增强内部扰动，起到强化传热作用。在低雷诺数时，三角形凹穴及梯形内肋组合的微通道的综合传热性能最优；而在高雷诺数时

7、，三角形凹穴及三角形内肋组合的微通道的综合传热性能最优。其次，根据热力学第一及第二定律，推导出复杂结构微通道流动与传热过程的熵产模型，并结合场协同原理，从热力学及传热学角度共同分析影响微通道热沉强化传热的本质原因。理论分析表明，降低流体温度梯度的净值能起到强化传热作用。并指出用强化传热因子、场协同数、熵产增大数及热能传输效率这四个无量纲数均能评价通道内部的传热性能，但由于定义不同，评价的侧重点也不同。再次，使用先进的流动可视化手段——Micro-PIV（Micro-ParticleImageVelocimetry）系统，观察凹穴及内肋组合