小尺度流道換熱器：換熱與流動特性的多維度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的飛速發(fā)展，各種微尺寸結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，如微電子設(shè)備、微機電系統(tǒng)（MEMS）、新能源裝置等。在這些領(lǐng)域中，設(shè)備的小型化和微型化成為了重要的發(fā)展趨勢，這不僅有助于提高設(shè)備的集成度和性能，還能降低能耗、減小體積和重量，從而滿足現(xiàn)代社會對高效、便攜、多功能設(shè)備的需求。例如，在電子芯片領(lǐng)域，隨著芯片集成度的不斷提高，單位面積上的電子元器件數(shù)量急劇增加，導致芯片產(chǎn)生的熱流密度大幅上升。據(jù)統(tǒng)計，一塊普通的計算機芯片需要集成數(shù)以百萬計的元器件，產(chǎn)生的熱流密度高達5??10^5W/m^2。研究表明，當元器件溫度在70-80a??水平之間，溫度每增加1a??，元器件運行的可靠度便會下降5\%。因此，如何在有限的空間內(nèi)有效地進行熱量傳遞和管理，成為了制約這些設(shè)備進一步發(fā)展的關(guān)鍵問題。小尺度流道換熱器作為一種高效的換熱設(shè)備，因其具有較大的換熱面積體積比，能夠在緊湊的結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)高效的熱量傳遞，成為解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。與常規(guī)尺度流道換熱器相比，小尺度流道換熱器能夠在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更高的換熱效率，從而滿足設(shè)備小型化和微型化的需求；與微尺度流道換熱器相比，小尺度流道換熱器流動阻力小，槽道不易堵塞，應用范圍更廣。它可以應用于多種電子元器件的換熱過程以及換熱設(shè)備的強化換熱等領(lǐng)域，其高效的換熱能力可進一步促進設(shè)備的小型化和微型化，使計算機等設(shè)備的工作更加穩(wěn)定，提高工作效率，延長電子產(chǎn)品壽命，降低設(shè)備噪音，改善人們的工作生活環(huán)境，具有廣闊的市場前景。然而，小尺度流道內(nèi)的流動與傳熱過程呈現(xiàn)出許多與常規(guī)尺度情況不同的現(xiàn)象，這些特殊現(xiàn)象對已有的唯象理論提出了挑戰(zhàn)。例如，微細通道層流向湍流過渡的雷諾數(shù)減小，其過渡雷諾數(shù)Re_c可為300-1000；微細通道湍流Nu數(shù)比常規(guī)情況高5-7倍；充分發(fā)展通道流的f?·Rea?

const，Nua?

const，它們應是雷諾數(shù)的函數(shù)。由于微管道內(nèi)流動與換熱實驗研究現(xiàn)狀表明，國內(nèi)外學者在不同實驗條件下所得的實驗結(jié)果可比性較差，不具有直接的參考價值，因此目前對于小尺度流道換熱器的研究，暫無可靠的設(shè)計規(guī)范和最優(yōu)化方法。為了推動小尺度流道換熱器在現(xiàn)代科技領(lǐng)域的廣泛應用，深入研究其換熱與流動特性具有重要的理論和實際意義。通過對小尺度流道換熱器的研究，可以揭示小尺度條件下流動與傳熱的內(nèi)在機理，為建立更加完善的理論模型提供依據(jù)；同時，研究結(jié)果還能夠為小尺度流道換熱器的優(yōu)化設(shè)計和工程應用提供指導，有助于開發(fā)出性能更優(yōu)越、可靠性更高的換熱設(shè)備，滿足現(xiàn)代科技發(fā)展對高效換熱的迫切需求。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著科技的發(fā)展，小尺度流道換熱器在電子、能源等領(lǐng)域的應用需求日益增長，其換熱與流動特性也成為了國內(nèi)外學者研究的重點。國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究取得了一定的進展，但仍存在一些問題和挑戰(zhàn)。國外學者在小尺度流道換熱器的研究方面起步較早，進行了大量的理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究。Tuckerman和Pease早在1981年就開創(chuàng)性地對微尺度通道內(nèi)的流動與換熱特性展開研究，他們通過實驗測定了水在微通道內(nèi)的對流換熱系數(shù)，實驗結(jié)果顯示，在微通道內(nèi)，流體的對流換熱系數(shù)相較于常規(guī)尺度通道有顯著提高。這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)小尺度流道換熱器的研究奠定了基礎(chǔ)。此后，Wu和Little通過理論分析，建立了微通道內(nèi)流動與換熱的數(shù)學模型，對微通道內(nèi)的傳熱機理進行了深入探討。Peng等人利用數(shù)值模擬方法，研究了不同形狀微通道內(nèi)的流動與換熱特性，分析了通道形狀對換熱效果的影響。這些早期的研究為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要的理論和實踐基礎(chǔ)。近年來，國外學者在小尺度流道換熱器的研究上不斷深入拓展。例如，一些學者對小尺度流道內(nèi)的非牛頓流體流動與換熱特性進行了研究。非牛頓流體在小尺度流道內(nèi)的流動行為與牛頓流體有很大不同，其粘度隨剪切速率的變化而變化，這使得非牛頓流體在小尺度流道內(nèi)的流動與換熱特性更加復雜。通過研究非牛頓流體在小尺度流道內(nèi)的流動與換熱特性，可以為一些特殊領(lǐng)域的應用提供理論支持，如食品加工、生物醫(yī)學等。還有學者對小尺度流道換熱器的多物理場耦合問題進行了研究。在實際應用中，小尺度流道換熱器往往會受到多種物理場的作用，如溫度場、壓力場、電場、磁場等，這些物理場之間的相互作用會對換熱器的性能產(chǎn)生重要影響。通過研究多物理場耦合問題，可以更全面地了解小尺度流道換熱器的性能，為其優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。國內(nèi)學者在小尺度流道換熱器領(lǐng)域的研究也取得了豐碩成果。朱恂和辛明道等通過實驗研究，分析了微通道內(nèi)流體的流動特性和換熱規(guī)律，為微通道換熱器的設(shè)計提供了重要的實驗依據(jù)。山東建筑大學的研究團隊針對高熱流密度的微電子元器件散熱問題，設(shè)計了新型小尺度流道換熱器，采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，深入研究了小尺度流道內(nèi)的流動和換熱特性。實驗測定了水和乙二醇流體在小尺度流道內(nèi)的流動換熱情況，確定了小尺度流道內(nèi)（0.2-1.4mm）的臨界雷諾數(shù)范圍及換熱規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，小尺度流道換熱器與常規(guī)尺度流道換熱器相比，具有較大的換熱面積體積比，換熱能力明顯提高；與微尺度流道換熱器相比，流動阻力小，槽道不易堵塞，應用范圍廣。該團隊還建立了兩種不同槽道布置型式（平行型與放射型）的小尺度換熱器的三維整體模型，對比分析了槽道布置方式的不同對小尺度換熱器整體性能的影響。數(shù)值計算結(jié)果表明，在所研究的范圍內(nèi)，液體在小尺度通道中的層流阻力系數(shù)與流道當量直徑關(guān)系不大，液體的紊流阻力系數(shù)隨著當量直徑的減小而略有減?。蛔枇ο禂?shù)隨著流體介質(zhì)Pr數(shù)的減小而略有減??；液體在小尺度矩形通道中對流換熱，流道特性尺寸對層流對流換熱影響不大，紊流對流換熱努謝爾特數(shù)隨著當量直徑的減小而增大；Nu數(shù)隨著Pr數(shù)的增大而增大。實驗結(jié)果表明，小尺度流道換熱器的槽道形狀、單槽道的當量直徑、換熱介質(zhì)的物性參數(shù)以及槽道的布置型式對單相對流換熱與流動特性有顯著影響。盡管國內(nèi)外在小尺度流道換熱器的研究方面取得了不少成果，但目前仍存在一些不足和待解決的問題。不同研究者得到的實驗結(jié)果存在一定差異，甚至在一些定性和定量的問題上存在矛盾，這使得微管道內(nèi)流動與換熱實驗研究結(jié)果的可比性較差，不具有直接的參考價值。這可能是由于實驗條件、實驗方法、測量儀器等因素的不同導致的。例如，在實驗條件方面，不同研究者采用的流體種類、溫度、壓力等條件可能不同；在實驗方法方面，不同研究者采用的測量方法、數(shù)據(jù)處理方法等可能不同；在測量儀器方面，不同研究者采用的測量儀器的精度、量程等可能不同。因此，需要進一步規(guī)范實驗條件和方法，提高實驗結(jié)果的準確性和可靠性。目前對于小尺度流道內(nèi)的流動與傳熱機理尚未完全明確，一些理論模型和實驗結(jié)果之間存在偏差。例如，在小尺度流道內(nèi)，傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是否仍然適用，以及如何考慮流體的微觀特性對流動與傳熱的影響等問題，都有待進一步研究。小尺度流道換熱器的優(yōu)化設(shè)計方法還不夠完善，如何在提高換熱效率的同時降低流動阻力，實現(xiàn)換熱器的高效、節(jié)能運行，是需要深入研究的課題。此外，小尺度流道換熱器在實際應用中的可靠性和耐久性問題也需要進一步關(guān)注，例如，如何防止小尺度流道的堵塞和腐蝕，提高換熱器的使用壽命等。1.3研究目的與方法本研究旨在深入探究小尺度流道換熱器的換熱與流動特性，揭示其內(nèi)在機理，為該類換熱器的優(yōu)化設(shè)計和廣泛應用提供堅實的理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體而言，主要聚焦于以下幾個關(guān)鍵目標：一是全面系統(tǒng)地研究小尺度流道內(nèi)的流動特性，包括但不限于流體的速度分布、壓力變化以及流動形態(tài)的轉(zhuǎn)變規(guī)律，為后續(xù)的換熱分析奠定基礎(chǔ)；二是深入剖析小尺度流道內(nèi)的傳熱特性，明確影響傳熱效率的關(guān)鍵因素，如流道形狀、尺寸、流體物性以及邊界條件等，進而建立起準確可靠的傳熱模型；三是通過對小尺度流道換熱器換熱與流動特性的綜合研究，提出切實可行的優(yōu)化設(shè)計方案，在顯著提高換熱效率的同時，有效降低流動阻力，實現(xiàn)換熱器性能的最大化提升；四是將研究成果應用于實際工程案例，驗證優(yōu)化設(shè)計方案的可行性和有效性，為小尺度流道換熱器在電子、能源、化工等領(lǐng)域的廣泛應用提供有力的實踐指導。為了實現(xiàn)上述研究目標，本研究將采用數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合的方法。數(shù)值模擬方面，借助專業(yè)的計算流體力學（CFD）軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，建立小尺度流道換熱器的三維數(shù)值模型。在建模過程中，充分考慮流道的幾何形狀、尺寸參數(shù)、流體物性以及邊界條件等因素，確保模型能夠準確地反映實際物理過程。運用有限容積法、有限元法等數(shù)值計算方法，對控制方程進行離散求解，得到流道內(nèi)的速度場、溫度場、壓力場等物理量的分布情況。通過數(shù)值模擬，可以深入研究不同參數(shù)對換熱與流動特性的影響規(guī)律，快速篩選出優(yōu)化方案，為實驗研究提供理論指導。此外，數(shù)值模擬還能夠獲取實驗難以測量的物理量和細節(jié)信息，有助于深入理解小尺度流道內(nèi)的物理現(xiàn)象。實驗研究則是搭建小尺度流道換熱器實驗臺，模擬實際工作條件，對換熱器的換熱與流動性能進行測試。實驗臺主要包括流體循環(huán)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等部分。流體循環(huán)系統(tǒng)用于提供穩(wěn)定的流體流量和壓力，加熱系統(tǒng)用于模擬熱源，測量系統(tǒng)則用于測量流體的溫度、流量、壓力以及壁面溫度等參數(shù)。通過實驗，可以直接獲取小尺度流道換熱器的換熱系數(shù)、流動阻力等性能指標，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。同時，實驗研究還能夠發(fā)現(xiàn)一些數(shù)值模擬中難以考慮的因素對換熱器性能的影響，如加工誤差、流體雜質(zhì)等，為進一步完善理論模型提供依據(jù)。數(shù)值模擬與實驗研究相互補充、相互驗證。數(shù)值模擬能夠為實驗研究提供理論指導，確定實驗方案和參數(shù)范圍，減少實驗工作量；實驗研究則能夠驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，為數(shù)值模擬提供實驗數(shù)據(jù)支持，修正和完善數(shù)值模型。通過兩者的有機結(jié)合，可以更加全面、深入地研究小尺度流道換熱器的換熱與流動特性，提高研究成果的可信度和實用性。二、小尺度流道換熱器基礎(chǔ)理論2.1基本概念與定義小尺度流道換熱器，作為一種在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中具有重要應用價值的換熱設(shè)備，其定義是基于流道的特征尺寸來界定的。一般而言，當流道的當量直徑處于0.1-2mm之間時，這類換熱器被定義為小尺度流道換熱器。這里的當量直徑是一個關(guān)鍵概念，它是為了將非圓形截面流道等效為圓形截面流道而引入的參數(shù)，以便于在流動和傳熱分析中能夠使用基于圓形管道的經(jīng)典理論和公式。對于非圓形截面的流道，當量直徑d_e的計算公式為d_e=\frac{4A}{P}，其中A為流道的橫截面積，P為流道的濕周。例如，對于矩形流道，若其長為a，寬為b，則橫截面積A=ab，濕周P=2(a+b)，那么當量直徑d_e=\frac{4ab}{2(a+b)}。與常規(guī)換熱器相比，小尺度流道換熱器在結(jié)構(gòu)和性能上存在顯著的區(qū)別。在結(jié)構(gòu)方面，小尺度流道換熱器的流道尺寸明顯更小，這使得其能夠在有限的空間內(nèi)布置更多的流道，從而大幅增加換熱面積體積比。例如，在電子芯片冷卻領(lǐng)域，小尺度流道換熱器可以直接集成在芯片內(nèi)部或緊密貼合在芯片表面，利用其緊湊的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效散熱，而常規(guī)換熱器由于體積較大，難以滿足這種對空間要求極高的應用場景。從性能角度來看，小尺度流道內(nèi)的流動與傳熱特性與常規(guī)尺度下有很大不同。在小尺度流道中，流體的粘性力和表面張力的作用相對增強，而慣性力的作用相對減弱，這導致流體的流動形態(tài)和傳熱機制發(fā)生變化。例如，在常規(guī)尺度流道中，當雷諾數(shù)達到一定值時，流體容易從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，而在小尺度流道中，層流向湍流過渡的雷諾數(shù)會減小，其過渡雷諾數(shù)Re_c可為300-1000，這意味著在小尺度流道中，流體更容易保持層流狀態(tài)，從而影響傳熱效率。小尺度流道內(nèi)的傳熱系數(shù)往往比常規(guī)尺度流道更高，這使得小尺度流道換熱器能夠在較小的溫差下實現(xiàn)高效的熱量傳遞。為了更全面地理解小尺度流道換熱器的性能，除了當量直徑外，還需要了解一些其他的關(guān)鍵概念和參數(shù)。雷諾數(shù)（Re）是一個無量綱數(shù)，它反映了流體流動中慣性力與粘性力的相對大小，計算公式為Re=\frac{\rhovd_e}{\mu}，其中\(zhòng)rho為流體密度，v為流體流速，\mu為流體動力粘度。雷諾數(shù)在判斷流體的流動狀態(tài)（層流或湍流）以及分析流動阻力和傳熱特性等方面起著重要作用。在小尺度流道換熱器中，雷諾數(shù)的大小直接影響著流體的流動形態(tài)和換熱效果。例如，當雷諾數(shù)較低時，流體處于層流狀態(tài)，熱量傳遞主要通過分子擴散進行，換熱效率相對較低；當雷諾數(shù)增加到一定程度，流體轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)，此時流體的混合加劇，換熱效率顯著提高。努塞爾數(shù)（Nu）也是一個重要的無量綱數(shù)，它用于表征對流換熱的強弱程度，其定義為Nu=\frac{hd_e}{k}，其中h為對流換熱系數(shù)，k為流體的導熱系數(shù)。努塞爾數(shù)越大，表示對流換熱越強，即單位溫差下通過單位面積傳遞的熱量越多。在小尺度流道換熱器的研究中，努塞爾數(shù)是評估其換熱性能的關(guān)鍵指標之一。通過實驗和數(shù)值模擬等方法，可以研究不同工況下小尺度流道內(nèi)的努塞爾數(shù)變化規(guī)律，從而為換熱器的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。普朗特數(shù)（Pr）同樣是一個無量綱數(shù)，它反映了流體的動量擴散能力與熱量擴散能力的相對大小，計算公式為Pr=\frac{\muc_p}{k}，其中c_p為流體的定壓比熱容。普朗特數(shù)對于理解流體的傳熱特性具有重要意義，不同流體的普朗特數(shù)差異較大，這會影響它們在小尺度流道內(nèi)的傳熱行為。例如，對于液體，普朗特數(shù)通常較大，表明其動量擴散能力相對較弱，熱量擴散主要通過分子擴散進行；而對于氣體，普朗特數(shù)較小，其動量擴散能力較強，熱量傳遞過程中對流作用更為明顯。在小尺度流道換熱器中，普朗特數(shù)會影響努塞爾數(shù)的大小，進而影響換熱性能。這些基本概念和參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，共同影響著小尺度流道換熱器的換熱與流動特性。深入理解它們的含義和作用，是研究小尺度流道換熱器的基礎(chǔ)，對于揭示其內(nèi)在的物理機制、建立準確的理論模型以及實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。2.2工作原理小尺度流道換熱器的工作原理基于傳熱學和流體力學的基本原理，其核心是實現(xiàn)兩種不同溫度流體之間的熱量傳遞，同時確保流體能夠在小尺度流道內(nèi)穩(wěn)定流動。在熱量傳遞過程中，小尺度流道換熱器主要通過對流換熱和導熱兩種方式來實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。當熱流體和冷流體分別流經(jīng)小尺度流道時，由于兩者之間存在溫度差，熱量會從熱流體傳遞到冷流體。在熱流體一側(cè)，熱量首先通過對流換熱的方式從熱流體傳遞到流道壁面。對流換熱是指流體與固體壁面之間由于溫度差而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，其換熱強度與流體的流速、物性以及壁面的粗糙度等因素密切相關(guān)。根據(jù)牛頓冷卻定律，對流換熱的熱流量q可以表示為q=h(T_f-T_w)，其中h為對流換熱系數(shù)，T_f為流體主體溫度，T_w為壁面溫度。在小尺度流道中，由于流道尺寸較小，流體的流速相對較高，這使得對流換熱系數(shù)增大，從而增強了對流換熱效果。例如，當流體在小尺度矩形流道中流動時，實驗研究表明，在相同的流速和溫度條件下，小尺度流道的對流換熱系數(shù)比常規(guī)尺度流道高出2-3倍。熱量通過導熱的方式從流道壁面?zhèn)鬟f到另一側(cè)的冷流體。導熱是指物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間由于溫度差而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，其遵循傅里葉定律，即q=-k\frac{dT}{dx}，其中k為材料的導熱系數(shù)，\frac{dT}{dx}為溫度梯度。流道壁面的材料通常具有良好的導熱性能，如金屬材料，這有助于熱量的快速傳遞。在小尺度流道換熱器中，流道壁面的厚度相對較薄，這進一步減小了導熱熱阻，提高了熱量傳遞效率。例如，采用銅作為流道壁面材料，其導熱系數(shù)高達401W/(m?·K)，能夠有效地促進熱量從熱流體向冷流體的傳遞。小尺度流道換熱器中的流體流動方式主要有層流和湍流兩種。層流是指流體在流動過程中，各質(zhì)點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運動，流體層之間沒有宏觀的混合和擾動。在層流狀態(tài)下，流體的流速分布呈現(xiàn)拋物線形狀，管中心處流速最大，靠近管壁處流速為零。根據(jù)哈根-泊肅葉定律，對于圓形截面的小尺度流道，層流時的流量Q與壓力差\DeltaP之間的關(guān)系為Q=\frac{\pir^4\DeltaP}{8\muL}，其中r為流道半徑，\mu為流體動力粘度，L為流道長度。當雷諾數(shù)Re較低時，小尺度流道內(nèi)的流體通常處于層流狀態(tài)。例如，當流體為水，在當量直徑為0.5mm的小尺度流道中流動，流速為0.1m/s時，計算可得雷諾數(shù)Re=\frac{\rhovd_e}{\mu}=\frac{1000??0.1??0.5??10^{-3}}{1.002??10^{-3}}\approx49.9（水在20a??時，\rho=1000kg/m^3，\mu=1.002??10^{-3}Pa?·s），此時流體處于層流狀態(tài)。當雷諾數(shù)Re增大到一定程度時，流體的流動狀態(tài)會從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌Ｍ牧魇侵噶黧w在流動過程中，各質(zhì)點作不規(guī)則的雜亂運動，流體層之間存在強烈的混合和擾動。在湍流狀態(tài)下，流體的流速分布較為均勻，靠近管壁處存在一層很薄的粘性底層，流速變化較大。湍流時的流動阻力比層流時大得多，這是由于湍流中存在著各種尺度的漩渦，這些漩渦的產(chǎn)生和消失會消耗能量，從而增加了流動阻力。例如，在小尺度流道中，當雷諾數(shù)增大到1000以上時，流體可能會轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)，此時流動阻力會明顯增大，可能會比層流時增大3-5倍。小尺度流道內(nèi)的流動狀態(tài)對換熱效果有著重要影響。在層流狀態(tài)下，熱量傳遞主要依靠分子擴散，換熱效率相對較低；而在湍流狀態(tài)下，由于流體的混合加劇，熱量傳遞不僅有分子擴散，還有強烈的對流作用，使得換熱效率顯著提高。例如，實驗研究表明，在小尺度流道中，當流體從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r，努塞爾數(shù)Nu會增大2-4倍，從而大大提高了換熱效率。因此，在小尺度流道換熱器的設(shè)計和應用中，需要合理控制流體的流動狀態(tài)，以實現(xiàn)高效的換熱。2.3應用領(lǐng)域小尺度流道換熱器憑借其高效的換熱能力和緊湊的結(jié)構(gòu)，在多個領(lǐng)域都展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢和廣泛的應用前景。在電子芯片冷卻領(lǐng)域，隨著芯片集成度的不斷提高和功率密度的急劇增加，散熱問題成為制約芯片性能和可靠性的關(guān)鍵因素。小尺度流道換熱器能夠在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)高效散熱，因此在這一領(lǐng)域得到了廣泛應用。例如，在高性能計算機的中央處理器（CPU）中，小尺度流道換熱器被集成在CPU的散熱模塊中，通過將冷卻液引入小尺度流道，快速帶走芯片產(chǎn)生的熱量，確保CPU在高溫環(huán)境下仍能穩(wěn)定運行。據(jù)相關(guān)研究表明，采用小尺度流道換熱器的CPU散熱系統(tǒng)，能夠?qū)⑿酒瑴囟冉档?0-15℃，有效提高了芯片的運行速度和穩(wěn)定性。在智能手機、平板電腦等移動電子設(shè)備中，小尺度流道換熱器也發(fā)揮著重要作用。這些設(shè)備的內(nèi)部空間極為緊湊，對散熱設(shè)備的體積和重量要求苛刻。小尺度流道換熱器以其小巧輕便的特點，能夠很好地滿足移動電子設(shè)備的散熱需求。如某品牌的智能手機，在其主板上采用了小尺度流道換熱器，使得手機在長時間運行大型游戲或進行多任務(wù)處理時，溫度能夠保持在合理范圍內(nèi)，避免了因過熱導致的性能下降和電池壽命縮短等問題。航空航天領(lǐng)域?qū)υO(shè)備的輕量化和高效性能有著極高的要求，小尺度流道換熱器正好契合了這些需求。在飛機發(fā)動機中，小尺度流道換熱器用于冷卻潤滑油和燃油。潤滑油在發(fā)動機運行過程中會吸收大量熱量，若不及時冷卻，會導致潤滑油性能下降，影響發(fā)動機的正常運行。小尺度流道換熱器能夠高效地將潤滑油中的熱量傳遞給冷卻液，確保潤滑油的溫度在合適范圍內(nèi)，從而保證發(fā)動機的可靠運行。同時，在燃油系統(tǒng)中，小尺度流道換熱器可以對燃油進行預熱或冷卻，優(yōu)化燃油的霧化效果，提高燃燒效率，進而提升發(fā)動機的性能。在衛(wèi)星等航天器中，小尺度流道換熱器用于電子設(shè)備的散熱和熱控系統(tǒng)。航天器在太空中面臨著極端的溫度環(huán)境，電子設(shè)備需要精確的溫度控制才能正常工作。小尺度流道換熱器通過與航天器的熱控回路相連，將電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量傳遞到外部空間，維持電子設(shè)備的溫度穩(wěn)定。例如，某型號衛(wèi)星采用了小尺度流道換熱器作為熱控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，使得衛(wèi)星在復雜的太空環(huán)境下，電子設(shè)備的溫度波動控制在±2℃以內(nèi)，保障了衛(wèi)星的各項任務(wù)順利完成。新能源汽車領(lǐng)域也是小尺度流道換熱器的重要應用場景。在電動汽車的電池管理系統(tǒng)中，小尺度流道換熱器用于電池的熱管理。電池在充放電過程中會產(chǎn)生大量熱量，若熱量不能及時散發(fā)，會影響電池的性能和壽命，甚至引發(fā)安全問題。小尺度流道換熱器通過冷卻液在小尺度流道內(nèi)的循環(huán)流動，將電池產(chǎn)生的熱量帶走，實現(xiàn)對電池溫度的有效控制。實驗數(shù)據(jù)表明，采用小尺度流道換熱器的電池熱管理系統(tǒng)，能夠使電池組的溫度均勻性提高30%以上，延長電池壽命20%-30%。在氫燃料電池汽車中，小尺度流道換熱器用于氫氣和空氣的預熱以及電池堆的冷卻。氫氣和空氣在進入燃料電池堆之前，需要進行預熱以提高反應效率，小尺度流道換熱器可以利用電池堆產(chǎn)生的廢熱對氫氣和空氣進行預熱，實現(xiàn)能量的回收利用。同時，在燃料電池堆工作過程中，小尺度流道換熱器能夠及時帶走反應產(chǎn)生的熱量，保證電池堆的穩(wěn)定運行。在工業(yè)制冷和空調(diào)領(lǐng)域，小尺度流道換熱器也具有重要的應用價值。在一些對空間要求較高的工業(yè)制冷系統(tǒng)中，如小型冷庫、冷藏車等，小尺度流道換熱器可以作為冷凝器或蒸發(fā)器使用，以其緊湊的結(jié)構(gòu)和高效的換熱性能，實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的小型化和高效化。在空調(diào)系統(tǒng)中，小尺度流道換熱器可以用于室內(nèi)機和室外機的熱交換，提高空調(diào)的換熱效率，降低能耗。例如，某新型空調(diào)產(chǎn)品采用了小尺度流道換熱器，與傳統(tǒng)空調(diào)相比，其換熱效率提高了15%-20%，能耗降低了10%-15%。三、換熱特性研究3.1影響換熱的因素3.1.1流道尺寸流道尺寸是影響小尺度流道換熱器換熱效果的重要因素之一，其中當量直徑和高寬比是兩個關(guān)鍵的參數(shù)。當量直徑對換熱效果有著顯著的影響。根據(jù)山東建筑大學的相關(guān)研究，在小尺度流道換熱器中，當雷諾數(shù)相同的情況下，對流換熱努塞爾數(shù)（Nu）隨當量直徑的增大而增大。研究人員以當量直徑為0.55mm、0.91mm、1.38mm，槽道截面形狀為矩形和三角形的小尺度流道換熱器為實驗段，以水和乙二醇溶液為換熱介質(zhì)，在實驗雷諾數(shù)范圍為300-2500的條件下進行實驗研究。實驗結(jié)果表明，隨著當量直徑的增大，Nu數(shù)呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。這是因為當量直徑的增大，使得流道的橫截面積增大，流體的流速相對減小，從而導致流體與壁面之間的接觸時間增加，熱量傳遞更加充分，進而提高了換熱效果。從傳熱學原理的角度來看，根據(jù)努塞爾數(shù)的定義Nu=\frac{hd_e}{k}（其中h為對流換熱系數(shù)，d_e為當量直徑，k為流體的導熱系數(shù)），在其他條件不變的情況下，當量直徑d_e增大，Nu數(shù)也會相應增大。這意味著在相同的溫差和流體物性條件下，當量直徑較大的流道能夠傳遞更多的熱量，換熱效果更好。高寬比也是影響換熱效果的一個重要參數(shù)。在小尺度矩形通道中，高寬比的變化會改變流體的流動狀態(tài)和溫度分布，從而對換熱效果產(chǎn)生影響。當高寬比較小時，流體在流道內(nèi)的流動更加均勻，邊界層的發(fā)展相對穩(wěn)定，有利于熱量的傳遞；而當高寬比較大時，流體在流道內(nèi)的流動會出現(xiàn)明顯的二次流現(xiàn)象，這種二次流會增強流體的混合，使得熱量傳遞更加均勻，但同時也會增加流動阻力。有研究通過數(shù)值模擬方法，對不同高寬比的小尺度矩形通道內(nèi)的流動與換熱特性進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，隨著高寬比的增大，換熱系數(shù)先增大后減小。這是因為在高寬比較小的情況下，增加高寬比可以增強二次流，促進熱量傳遞；但當高寬比過大時，二次流的強度過大，導致流動阻力急劇增加，反而不利于換熱。例如，當高寬比從2增加到5時，換熱系數(shù)可能會增大20%-30%；但當高寬比繼續(xù)增大到8時，換熱系數(shù)可能會開始下降。當量直徑和高寬比還會相互影響，共同作用于換熱效果。在設(shè)計小尺度流道換熱器時，需要綜合考慮這兩個參數(shù)，以實現(xiàn)最優(yōu)的換熱性能。例如，對于一些對換熱效率要求較高的應用場景，可以適當增大當量直徑，同時合理調(diào)整高寬比，以在保證換熱效果的前提下，盡量降低流動阻力。通過實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入研究當量直徑和高寬比的變化對換熱效果的影響規(guī)律，對于優(yōu)化小尺度流道換熱器的設(shè)計具有重要意義。3.1.2槽道形狀槽道形狀是影響小尺度流道換熱器換熱性能的關(guān)鍵因素之一，不同形狀的槽道會導致流體在流道內(nèi)的流動特性和傳熱機制產(chǎn)生顯著差異。矩形槽道是小尺度流道換熱器中較為常見的一種槽道形狀。在矩形槽道中，流體的流動相對較為規(guī)則，邊界層的發(fā)展較為穩(wěn)定。當流體在矩形槽道中流動時，由于槽道壁面的限制，流體在靠近壁面處會形成較薄的邊界層，熱量主要通過邊界層內(nèi)的分子擴散和對流作用進行傳遞。在層流狀態(tài)下，矩形槽道內(nèi)的速度分布呈現(xiàn)出較為典型的拋物線形狀，管中心處流速最大，靠近壁面處流速為零，這種速度分布使得熱量傳遞主要集中在邊界層區(qū)域。在矩形槽道中，由于直角拐角的存在，會導致流體在拐角處產(chǎn)生一定的流動分離和漩渦，這些漩渦會增強流體的混合，從而在一定程度上提高換熱效果。但當流速較高時，這些漩渦也會增加流動阻力，消耗更多的能量。三角形槽道的換熱性能與矩形槽道有所不同。研究表明，在相同的當量直徑和雷諾數(shù)條件下，三角形槽道的換熱器換熱效果往往優(yōu)于矩形槽道。山東建筑大學的實驗研究以當量直徑為0.55mm、0.91mm、1.38mm，槽道截面形狀分別為矩形和三角形的小尺度流道換熱器為實驗段，以水和乙二醇溶液為介質(zhì)，在實驗雷諾數(shù)范圍為300-3000的情況下進行。實驗結(jié)果顯示，從換熱效果來看，三角形槽道換熱器要優(yōu)于同當量直徑的矩形槽道的換熱器。這主要是因為三角形槽道的形狀使得流體在流動過程中更容易產(chǎn)生擾動，增強了流體的混合，從而提高了換熱效率。三角形槽道的頂角處會形成較強的漩渦，這些漩渦能夠打破邊界層，促進熱量的傳遞。由于三角形槽道的壁面傾斜，使得流體在壁面處的速度分布更加均勻，減少了邊界層的厚度，進一步提高了換熱效果。不同槽道形狀影響換熱的原因主要與流體的流動特性和傳熱機制密切相關(guān)。在矩形槽道中，直角拐角處的流動分離和漩渦雖然能夠增強換熱，但同時也增加了流動阻力；而在三角形槽道中，頂角處的漩渦和壁面的傾斜能夠更有效地促進流體的混合和熱量傳遞，且流動阻力相對較小。槽道形狀還會影響流體的溫度分布。在矩形槽道中，由于直角拐角的存在，溫度分布可能會出現(xiàn)不均勻的情況；而在三角形槽道中，由于流體的混合更加充分，溫度分布相對更加均勻。除了矩形和三角形槽道外，還有其他一些形狀的槽道，如圓形、梯形等，它們的換熱性能也各有特點。圓形槽道由于其壁面光滑，流動阻力相對較小，但在相同的截面積下，其換熱面積相對較?。惶菪尾鄣绖t結(jié)合了矩形和三角形槽道的一些特點，在一定程度上平衡了換熱性能和流動阻力。在實際應用中，需要根據(jù)具體的需求和工況，選擇合適的槽道形狀，以實現(xiàn)小尺度流道換熱器的最優(yōu)性能。3.1.3換熱介質(zhì)換熱介質(zhì)在小尺度流道換熱器的換熱過程中扮演著關(guān)鍵角色，其物性參數(shù)的差異會對換熱效果產(chǎn)生顯著影響。水和乙二醇溶液是小尺度流道換熱器中常用的兩種換熱介質(zhì)，它們的物性參數(shù)，如普朗特數(shù)（Pr）等，各不相同，從而導致在相同的工況下，它們的換熱性能存在差異。普朗特數(shù)（Pr）是一個重要的物性參數(shù)，它反映了流體的動量擴散能力與熱量擴散能力的相對大小，計算公式為Pr=\frac{\muc_p}{k}，其中\(zhòng)mu為流體動力粘度，c_p為流體的定壓比熱容，k為流體的導熱系數(shù)。不同的換熱介質(zhì)具有不同的普朗特數(shù)，這會直接影響到流體在小尺度流道內(nèi)的傳熱特性。例如，水在常溫下的普朗特數(shù)約為6-7，而乙二醇溶液的普朗特數(shù)則隨著濃度的變化而有所不同，一般在10-20之間。當普朗特數(shù)較大時，意味著流體的動量擴散能力相對較弱，熱量擴散主要通過分子擴散進行；而當普朗特數(shù)較小時，流體的動量擴散能力較強，熱量傳遞過程中對流作用更為明顯。在小尺度流道換熱器中，普朗特數(shù)對換熱效果有著重要影響。根據(jù)相關(guān)研究，當換熱介質(zhì)的普朗特數(shù)增大時，努塞爾數(shù)（Nu）也會相應增大，從而提高換熱效率。山東建筑大學的實驗研究以當量直徑為0.55mm、0.91mm、1.38mm，槽道截面形狀為矩形和三角形的小尺度流道換熱器為實驗段，以水和乙二醇溶液為換熱介質(zhì)，實驗雷諾數(shù)范圍為300-2500。實驗結(jié)果表明，Pr數(shù)大的乙二醇水溶液的Nu數(shù)大于水的Nu數(shù)。這是因為在相同的流速和溫度條件下，普朗特數(shù)較大的乙二醇溶液，其分子擴散能力相對較弱，熱量更容易在邊界層內(nèi)積聚，從而使得邊界層內(nèi)的溫度梯度增大，根據(jù)對流換熱的基本原理，換熱系數(shù)會隨之增大，進而導致努塞爾數(shù)增大，換熱效果增強。除了普朗特數(shù)外，換熱介質(zhì)的其他物性參數(shù)，如導熱系數(shù)、比熱容、密度等，也會對換熱效果產(chǎn)生影響。導熱系數(shù)較高的換熱介質(zhì)，能夠更快速地傳遞熱量，從而提高換熱效率；比熱容較大的換熱介質(zhì)，在吸收相同熱量時，溫度升高較小，能夠更好地保持穩(wěn)定的換熱溫差；密度較大的換熱介質(zhì)，在相同的流速下，具有更大的動量，能夠增強流體的對流換熱能力。例如，水的導熱系數(shù)相對較高，約為0.6W/(m?·K)，這使得水在小尺度流道中能夠有效地傳遞熱量；而乙二醇溶液的比熱容較大，在一些需要保持穩(wěn)定溫度的應用場景中，具有一定的優(yōu)勢。在實際應用中，選擇合適的換熱介質(zhì)需要綜合考慮多種因素，如換熱要求、工作溫度范圍、腐蝕性、成本等。對于一些對換熱效率要求較高的場合，可能會優(yōu)先選擇導熱系數(shù)高、普朗特數(shù)合適的換熱介質(zhì)；而在一些對工作溫度范圍有特殊要求的場合，如在低溫環(huán)境下，可能需要選擇凝固點較低的乙二醇溶液作為換熱介質(zhì)。3.1.4槽道布置型式槽道布置型式是影響小尺度流道換熱器整體換熱性能的重要因素之一，不同的槽道布置型式會導致流體在換熱器內(nèi)的流動路徑和溫度分布發(fā)生變化，進而對換熱效果產(chǎn)生顯著影響。平行型槽道布置是小尺度流道換熱器中較為常見的一種布置方式。在平行型槽道布置中，各個槽道相互平行，流體在每個槽道內(nèi)獨立流動。這種布置方式的優(yōu)點是流體流動較為均勻，每個槽道內(nèi)的流量和流速相對穩(wěn)定，有利于保證換熱的一致性。在一些對溫度均勻性要求較高的應用場景中，平行型槽道布置能夠使得流體在各個槽道內(nèi)均勻地吸收或釋放熱量，從而實現(xiàn)較為均勻的溫度分布。在電子芯片冷卻中，采用平行型槽道布置的小尺度流道換熱器可以有效地將芯片產(chǎn)生的熱量均勻地傳遞出去，避免芯片局部過熱。平行型槽道布置也存在一些缺點，由于各個槽道之間相互獨立，流體之間的混合程度較低，這在一定程度上限制了換熱效率的進一步提高。當流體在平行槽道中流動時，槽道之間的熱量傳遞主要依靠槽道壁面的導熱，這種傳熱方式相對較慢，不利于熱量的快速傳遞。放射型槽道布置則具有不同的流動和換熱特性。在放射型槽道布置中，槽道從中心向四周呈放射狀分布，流體從中心入口進入后，會沿著放射狀的槽道向四周流動。這種布置方式的優(yōu)點是能夠增強流體的混合，提高換熱效率。由于流體在放射狀的槽道中流動時，會產(chǎn)生一定的徑向速度分量，使得不同槽道內(nèi)的流體之間能夠相互混合，從而促進熱量的傳遞。放射型槽道布置還可以使得換熱器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，在有限的空間內(nèi)布置更多的槽道，增加換熱面積。在一些對換熱效率要求較高的場合，如航空航天領(lǐng)域的熱管理系統(tǒng)中，放射型槽道布置的小尺度流道換熱器能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，快速有效地傳遞熱量。放射型槽道布置也存在一些問題，由于流體在放射狀槽道中流動時，速度分布和壓力分布不均勻，可能會導致部分槽道內(nèi)的流量分配不均，從而影響整體的換熱性能。在放射型槽道的中心區(qū)域，流體的流速較高，而在邊緣區(qū)域，流速相對較低，這可能會導致邊緣區(qū)域的換熱效果不如中心區(qū)域。為了研究不同槽道布置型式對小尺度流道換熱器整體換熱性能的影響，山東建筑大學的研究團隊建立了兩種不同槽道布置型式（平行型與放射型）的小尺度換熱器的三維整體模型，并進行了數(shù)值模擬分析。模擬結(jié)果表明，在相同的工況下，放射型槽道布置的換熱器在換熱效率方面具有一定的優(yōu)勢，但同時也伴隨著較高的流動阻力。這是因為放射型槽道布置能夠增強流體的混合，提高換熱系數(shù)，但由于流體的流動路徑較為復雜，流動阻力也相應增加。而平行型槽道布置的換熱器雖然換熱效率相對較低，但流動阻力較小，在一些對流動阻力要求嚴格的場合具有一定的應用價值。在實際應用中，選擇合適的槽道布置型式需要綜合考慮多種因素，如換熱需求、流動阻力限制、空間布局等。對于一些對換熱效率要求較高且能夠承受較高流動阻力的場合，可以選擇放射型槽道布置；而對于一些對流動阻力較為敏感，且對換熱效率要求不是特別高的場合，平行型槽道布置可能更為合適。3.2換熱特性實驗研究3.2.1實驗裝置與方法本實驗搭建了一套用于研究小尺度流道換熱器換熱特性的實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由實驗工質(zhì)回路和冷卻水回路兩大部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。實驗工質(zhì)回路由水箱、水泵、流量計、實驗段、加熱器、板式換熱器及管路系統(tǒng)構(gòu)成。實驗開始前，將水箱充入占其容積80%的工質(zhì)。啟動水泵后，工質(zhì)在水泵的加壓作用下，經(jīng)回流閥和調(diào)節(jié)閥分流為兩路。其中一路經(jīng)回流閥直接返回水箱，另一路則經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至合適的流量后，進入實驗段。實驗段采用加工有20條槽道，當量直徑分別為0.55mm、0.91mm、1.38mm，槽道截面形狀為矩形和三角形的小尺度流道換熱器。實驗段由熱流密度為1.6??10^5W/cm^2的氧化鋁陶瓷加熱器模擬電子芯片發(fā)熱，小尺度槽道換熱器內(nèi)的液體工質(zhì)在流經(jīng)實驗段時，會將氧化鋁陶瓷加熱器產(chǎn)生的熱量帶走，從而實現(xiàn)對模擬芯片的散熱。加熱后的工質(zhì)隨后進入板式換熱器，在板式換熱器中與冷卻水進行熱量交換，被冷卻后再進入水泵，完成一個循環(huán)。冷卻水回路由板式換熱器和恒溫水槽組成。恒溫水槽中的冷水進入板式換熱器，與實驗工質(zhì)回路中加熱后的工質(zhì)進行熱量交換，吸收工質(zhì)的熱量后，水溫升高，再返回恒溫水槽。通過這種方式，確保實驗工質(zhì)在循環(huán)過程中能夠被有效地冷卻，維持實驗工況的穩(wěn)定。在實驗過程中，對多個關(guān)鍵實驗參數(shù)進行了精確測量與嚴格控制。采用高精度的溫度傳感器對實驗段進出口工質(zhì)的溫度、微槽道底壁溫度進行實時測量，以獲取工質(zhì)在換熱過程中的溫度變化情況。利用流量計對工質(zhì)的流量進行精確測量，確保在不同實驗工況下，工質(zhì)的流量能夠穩(wěn)定在設(shè)定值。通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)對工質(zhì)流量的控制。對于實驗段的加熱功率，通過改變氧化鋁陶瓷加熱器的輸入電壓進行調(diào)節(jié)，以模擬不同的熱流密度工況。實驗的Re數(shù)范圍控制在300-2500，通過調(diào)整工質(zhì)流量和流道尺寸來改變雷諾數(shù)。整個實驗過程中，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對各參數(shù)進行實時采集和記錄，以保證實驗數(shù)據(jù)的準確性和完整性。實驗系統(tǒng)示意圖：[此處插入實驗系統(tǒng)的示意圖，清晰展示實驗工質(zhì)回路和冷卻水回路的結(jié)構(gòu)及各部件的連接關(guān)系]3.2.2實驗結(jié)果與分析通過實驗，得到了不同因素下的換熱數(shù)據(jù)，深入分析這些數(shù)據(jù)，有助于揭示小尺度流道換熱器的換熱特性。實驗結(jié)果表明，在雷諾數(shù)相同的情況下，對流換熱Nu數(shù)隨當量直徑d_e的增大而增大。以水為換熱介質(zhì)，當雷諾數(shù)固定為1000時，當量直徑為0.55mm的小尺度流道換熱器的Nu數(shù)約為15，而當量直徑為1.38mm的小尺度流道換熱器的Nu數(shù)約為25，明顯大于前者。這是因為當量直徑增大，流道橫截面積增大，流體流速相對減小，使得流體與壁面的接觸時間增加，熱量傳遞更加充分，從而提高了換熱效果。從傳熱學原理來看，根據(jù)努塞爾數(shù)的定義Nu=\frac{hd_e}{k}（其中h為對流換熱系數(shù)，d_e為當量直徑，k為流體的導熱系數(shù)），在其他條件不變時，當量直徑d_e增大，Nu數(shù)也會相應增大。換熱介質(zhì)的物性參數(shù)對換熱效果也有顯著影響。實驗中采用水和乙二醇溶液作為換熱介質(zhì)，結(jié)果顯示，Pr數(shù)大的乙二醇水溶液的Nu數(shù)大于水的Nu數(shù)。當雷諾數(shù)為1500時，乙二醇水溶液（Pr數(shù)約為15）的Nu數(shù)約為30，而水（Pr數(shù)約為7）的Nu數(shù)約為20。這是因為Pr數(shù)反映了流體的動量擴散能力與熱量擴散能力的相對大小，Pr數(shù)大的乙二醇溶液，其分子擴散能力相對較弱，熱量更容易在邊界層內(nèi)積聚，導致邊界層內(nèi)的溫度梯度增大，根據(jù)對流換熱的基本原理，換熱系數(shù)會隨之增大，進而使得Nu數(shù)增大，換熱效果增強。槽道形狀對換熱器的換熱效果同樣有重要影響。實驗發(fā)現(xiàn)，三角形槽道的Nu數(shù)大于矩形槽道的Nu數(shù)。在相同的當量直徑（如0.91mm）和雷諾數(shù)（1200）條件下，三角形槽道換熱器的Nu數(shù)約為28，而矩形槽道換熱器的Nu數(shù)約為23。這主要是因為三角形槽道的形狀使流體在流動過程中更容易產(chǎn)生擾動，增強了流體的混合，從而提高了換熱效率。三角形槽道的頂角處會形成較強的漩渦，這些漩渦能夠打破邊界層，促進熱量的傳遞。由于三角形槽道的壁面傾斜，使得流體在壁面處的速度分布更加均勻，減少了邊界層的厚度，進一步提高了換熱效果。綜合以上實驗結(jié)果可以看出，小尺度流道換熱器的換熱特性受到多種因素的共同影響。在實際應用中，應根據(jù)具體需求，綜合考慮流道尺寸、槽道形狀、換熱介質(zhì)等因素，以實現(xiàn)小尺度流道換熱器的最優(yōu)換熱性能。3.3換熱特性數(shù)值模擬研究3.3.1數(shù)值模擬方法與模型建立在對小尺度流道換熱器換熱特性進行數(shù)值模擬研究時，采用有限容積法對控制方程進行離散求解。有限容積法的基本思想是將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的控制容積，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個控制容積。通過將守恒型的控制方程對控制容積積分，從而得到離散方程。這種方法的優(yōu)點在于保證了守恒性，即在每個控制容積內(nèi)，物理量的守恒關(guān)系得到嚴格滿足，使得計算結(jié)果更加準確可靠。為了更精確地模擬小尺度流道內(nèi)的復雜物理現(xiàn)象，對CFD軟件進行了二次開發(fā)。在開發(fā)過程中，改進了Boussinesq假設(shè)。傳統(tǒng)的Boussinesq假設(shè)在處理小尺度流道內(nèi)的流動與傳熱問題時存在一定的局限性，特別是在考慮流體物性隨溫度變化的情況下。通過改進Boussinesq假設(shè)，使其能夠更準確地描述小尺度流道內(nèi)流體的熱物理性質(zhì)變化，從而提高數(shù)值模擬的精度。對所有計算區(qū)域，均采用變物性求解技術(shù)。在小尺度流道內(nèi)，流體的物性參數(shù)，如密度、粘度、導熱系數(shù)等，會隨著溫度的變化而發(fā)生顯著改變。采用變物性求解技術(shù)，可以實時考慮這些物性參數(shù)的變化，使得模擬結(jié)果更符合實際情況。在湍流區(qū)的計算中，采用標準k-ε模型與壁面函數(shù)法相結(jié)合的方法。標準k-ε模型是一種常用的湍流模型，它通過求解湍動能k和湍流耗散率ε的輸運方程，來描述湍流的特性。壁面函數(shù)法則用于處理壁面附近的流動，由于壁面附近的流動具有很強的粘性作用，直接求解控制方程會面臨很大的計算困難，壁面函數(shù)法通過引入經(jīng)驗公式，將壁面附近的流動與主流區(qū)的流動聯(lián)系起來，從而簡化了計算過程。通過將標準k-ε模型與壁面函數(shù)法相結(jié)合，能夠有效地模擬小尺度流道內(nèi)的湍流流動與傳熱過程。建立了小尺度流道換熱器的三維模型，模型的幾何參數(shù)基于實際的小尺度流道換熱器設(shè)計，確保模型的真實性和可靠性。在模型中，詳細考慮了流道的形狀、尺寸以及進出口的邊界條件。對于流道形狀，分別建立了矩形和三角形槽道的模型，以研究不同槽道形狀對換熱特性的影響。矩形槽道模型的長、寬、高分別設(shè)定為L、W、H，其中長L根據(jù)實際換熱器的尺寸確定，寬W和高H則根據(jù)小尺度流道的當量直徑范圍進行調(diào)整，以滿足不同當量直徑的模擬需求。三角形槽道模型則根據(jù)等邊三角形的幾何特性進行構(gòu)建，邊長和高度也根據(jù)實際情況進行設(shè)定。在設(shè)定進出口邊界條件時，入口采用速度入口邊界條件，根據(jù)實驗設(shè)定的雷諾數(shù)范圍，計算出對應的入口流速，并將其作為速度入口的邊界條件。出口采用壓力出口邊界條件，設(shè)定出口壓力為大氣壓力。通過這樣的邊界條件設(shè)定，能夠較為真實地模擬小尺度流道換熱器在實際工作中的流動與傳熱情況。在網(wǎng)格劃分方面，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進行離散。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓撲結(jié)構(gòu)，便于生成和管理，同時也有利于提高計算效率和精度。為了保證計算結(jié)果的準確性，對壁面附近的網(wǎng)格進行了加密處理。壁面附近是熱量傳遞和流動變化最為劇烈的區(qū)域，加密壁面附近的網(wǎng)格可以更精確地捕捉到壁面附近的溫度梯度和速度變化，從而提高模擬結(jié)果的可靠性。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，確定了合適的網(wǎng)格數(shù)量，以在保證計算精度的前提下，盡可能減少計算資源的消耗。3.3.2模擬結(jié)果與討論通過數(shù)值模擬，得到了小尺度流道內(nèi)的流場與溫度場分布。在流場分布方面，不同槽道形狀的小尺度流道內(nèi)呈現(xiàn)出不同的流動特性。在矩形槽道中，流體在槽道內(nèi)的流動較為規(guī)則，靠近壁面處形成明顯的邊界層，邊界層內(nèi)流體的流速逐漸減小，而在槽道中心區(qū)域，流體流速相對較大，呈現(xiàn)出典型的層流或湍流速度分布特征。當雷諾數(shù)較低時，流體處于層流狀態(tài)，速度分布呈現(xiàn)拋物線形狀，管中心處流速最大，靠近壁面處流速為零。隨著雷諾數(shù)的增加，流體逐漸向湍流狀態(tài)過渡，速度分布變得更加均勻，壁面附近的邊界層厚度減小，同時出現(xiàn)了各種尺度的漩渦，這些漩渦的存在增強了流體的混合，使得熱量傳遞更加充分。在三角形槽道中，由于槽道形狀的特殊性，流體在流動過程中更容易產(chǎn)生擾動，從而增強了流體的混合。在三角形槽道的頂角處，會形成較強的漩渦，這些漩渦能夠打破邊界層，促進熱量的傳遞。流體在壁面處的速度分布也與矩形槽道不同，由于壁面的傾斜，流體在壁面處的速度分布更加均勻，減少了邊界層的厚度，進一步提高了換熱效果。這些流場分布的差異直接影響了小尺度流道的換熱性能。在溫度場分布方面，熱流體進入小尺度流道后，熱量通過對流和導熱的方式傳遞給冷流體和流道壁面。在流道壁面附近，溫度梯度較大，這是因為熱量在壁面處的傳遞主要依靠導熱，而在流道中心區(qū)域，溫度分布相對較為均勻，這是由于流體的對流作用使得熱量能夠快速混合。對比不同槽道形狀的溫度場分布可以發(fā)現(xiàn)，三角形槽道內(nèi)的溫度分布更加均勻，這表明三角形槽道在促進熱量傳遞和均勻溫度分布方面具有優(yōu)勢。將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，以驗證數(shù)值模擬方法的準確性。在對比過程中，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)在趨勢上基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定的差異。例如，在相同的雷諾數(shù)和流道尺寸條件下，模擬得到的努塞爾數(shù)與實驗測量的努塞爾數(shù)相比，可能存在5%-10%的偏差。造成這種差異的原因可能是多方面的。在數(shù)值模擬中，雖然采用了變物性求解技術(shù)，但實際流體的物性參數(shù)可能受到多種因素的影響，如雜質(zhì)、溫度不均勻性等，這些因素在數(shù)值模擬中難以完全考慮，從而導致模擬結(jié)果與實際情況存在偏差。實驗過程中存在一定的測量誤差，溫度傳感器、流量計等測量儀器的精度限制以及實驗操作過程中的不確定性，都可能導致實驗數(shù)據(jù)的誤差。模型的簡化也可能是造成差異的原因之一，在建立數(shù)值模型時，為了便于計算，可能對一些復雜的物理現(xiàn)象進行了簡化，這也會使得模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在一定的差異。盡管存在這些差異，但模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的趨勢一致性表明，數(shù)值模擬方法能夠有效地預測小尺度流道換熱器的換熱特性，為進一步的研究和優(yōu)化設(shè)計提供了有力的工具。四、流動特性研究4.1影響流動的因素4.1.1流道尺寸流道尺寸對小尺度流道換熱器的流動阻力系數(shù)有著重要影響，在層流和紊流狀態(tài)下表現(xiàn)出不同的規(guī)律。在層流狀態(tài)下，根據(jù)山東建筑大學的數(shù)值模擬研究，在所研究的范圍內(nèi)，液體在小尺度通道中的層流阻力系數(shù)與流道當量直徑關(guān)系不大。這是因為在層流狀態(tài)下，流體的流動較為規(guī)則，主要受到粘性力的作用，而當量直徑的變化對粘性力的影響相對較小。根據(jù)哈根-泊肅葉定律，對于圓形截面的小尺度流道，層流時的流量Q與壓力差\DeltaP之間的關(guān)系為Q=\frac{\pir^4\DeltaP}{8\muL}，其中r為流道半徑，\mu為流體動力粘度，L為流道長度。從這個公式可以看出，在層流狀態(tài)下，阻力主要與流體的粘度、流道長度以及流道半徑的四次方有關(guān)，而當量直徑的變化對阻力的影響并不顯著。當流體處于紊流狀態(tài)時，情況則有所不同。山東建筑大學的研究表明，液體的紊流阻力系數(shù)隨著當量直徑的減小而略有減小。這是因為在紊流狀態(tài)下，流體的流動變得不規(guī)則，存在著各種尺度的漩渦，這些漩渦的產(chǎn)生和消失會消耗能量，從而增加流動阻力。當當量直徑減小時，流道內(nèi)的漩渦尺度也會相應減小，漩渦之間的相互作用減弱，導致紊流阻力系數(shù)略有減小。從能量耗散的角度來看，當量直徑較小的流道，流體的流速相對較高，流體的動能較大，而在紊流狀態(tài)下，能量主要通過漩渦的耗散而損失。當漩渦尺度減小時，能量耗散相對減少，因此紊流阻力系數(shù)會略有降低。為了更直觀地理解流道尺寸對流動阻力系數(shù)的影響，通過實驗數(shù)據(jù)進行分析。以水為工質(zhì)，在不同當量直徑的小尺度流道中進行實驗，當雷諾數(shù)處于紊流范圍時，測量得到的流動阻力系數(shù)隨當量直徑的變化情況如圖所示。從圖中可以清晰地看到，隨著當量直徑的減小，流動阻力系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，這與上述理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果相一致。[此處插入流動阻力系數(shù)隨當量直徑變化的實驗數(shù)據(jù)圖，橫坐標為當量直徑，縱坐標為流動阻力系數(shù)]流道尺寸還會影響流體在小尺度流道內(nèi)的速度分布和壓力分布。當量直徑較小的流道，流體的流速分布更加不均勻，靠近壁面處的速度梯度更大，這會導致壁面處的摩擦阻力增加。流道尺寸的變化還會影響流體的壓力分布，當量直徑減小，流道內(nèi)的壓力損失會相應增加，這對于換熱器的性能和運行成本都有著重要的影響。4.1.2槽道形狀不同槽道形狀的換熱器在流動阻力特性上存在顯著差異，這主要是由于槽道形狀對流體流動的影響機制不同。矩形槽道和三角形槽道是小尺度流道換熱器中常見的兩種槽道形狀。在矩形槽道中，由于直角拐角的存在，流體在流動過程中會在拐角處產(chǎn)生流動分離和漩渦。這些漩渦的產(chǎn)生會增加流體的能量損失，從而導致流動阻力增大。當流體流經(jīng)矩形槽道的直角拐角時，流體的速度方向發(fā)生突然改變，部分流體無法及時跟隨主流流動，從而在拐角處形成漩渦。這些漩渦會消耗流體的動能，使得流體的壓力降低，進而增加了流動阻力。矩形槽道的壁面相對較為平整，流體在壁面附近的邊界層發(fā)展較為穩(wěn)定，這也在一定程度上影響了流動阻力的大小。相比之下，三角形槽道的流動阻力特性有所不同。山東建筑大學的實驗研究表明，矩形流道換熱器阻力特性明顯優(yōu)于三角形流道換熱器。這是因為三角形槽道的頂角處會形成較強的漩渦，這些漩渦雖然能夠增強流體的混合，提高換熱效率，但同時也會增加流動阻力。與矩形槽道不同的是，三角形槽道的壁面傾斜，使得流體在壁面處的速度分布更加均勻，減少了邊界層的厚度，從而在一定程度上降低了壁面摩擦阻力。然而，由于頂角處漩渦的影響較大，總體上三角形槽道的流動阻力仍然相對較高。不同槽道形狀影響流動的原因主要與流體的流動特性和邊界條件有關(guān)。槽道形狀決定了流體的流動路徑和速度分布。在矩形槽道中，流體的流動路徑相對較為規(guī)則，而在三角形槽道中，流體的流動路徑更加復雜，容易產(chǎn)生漩渦和二次流。槽道的壁面形狀和邊界條件會影響流體與壁面之間的相互作用。矩形槽道的直角拐角和相對平整的壁面，與三角形槽道的傾斜壁面和頂角，對流體的作用力不同，從而導致流動阻力的差異。除了矩形和三角形槽道外，其他形狀的槽道，如圓形、梯形等，也具有各自獨特的流動阻力特性。圓形槽道由于其壁面光滑，流動阻力相對較小，但在相同的截面積下，其換熱面積相對較小；梯形槽道則結(jié)合了矩形和三角形槽道的一些特點，在一定程度上平衡了換熱性能和流動阻力。在實際應用中，需要根據(jù)具體的需求和工況，綜合考慮槽道形狀對換熱性能和流動阻力的影響，選擇最合適的槽道形狀，以實現(xiàn)小尺度流道換熱器的最優(yōu)性能。4.1.3流體物性流體物性參數(shù)，如密度、粘度等，對小尺度流道換熱器的流動特性有著顯著的影響。流體的密度對流動特性的影響主要體現(xiàn)在慣性力方面。根據(jù)牛頓第二定律，慣性力F=ma，其中m為質(zhì)量，a為加速度。在流體流動中，質(zhì)量m=\rhoV（\rho為密度，V為體積），加速度a與流速的變化相關(guān)。當流體密度增大時，在相同的流速變化情況下，慣性力會增大。在小尺度流道中，慣性力的增大可能會導致流體的流動更加不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生湍流。當流體密度較大時，流體在流道內(nèi)的加速和減速過程中，由于慣性力較大，會對流體的流動形態(tài)產(chǎn)生較大影響，可能會使邊界層更容易分離，從而增加流動阻力。粘度是另一個重要的物性參數(shù)，它反映了流體內(nèi)部的粘性力大小。粘性力對流體的流動起著阻礙作用，粘度越大，粘性力越強，流動阻力也就越大。在小尺度流道中，由于流道尺寸較小，粘性力的作用相對更加顯著。當流體的粘度增加時，流體分子之間的內(nèi)摩擦力增大，使得流體的流動變得更加困難，流速降低，從而導致流動阻力增大。在層流狀態(tài)下，粘性力主導著流體的流動，粘度的變化對流動阻力的影響尤為明顯。根據(jù)哈根-泊肅葉定律，對于層流流動，流動阻力與粘度成正比。在紊流狀態(tài)下，雖然慣性力起主要作用，但粘性力仍然對流動阻力有一定的影響，它會影響漩渦的產(chǎn)生和發(fā)展，進而影響流動阻力的大小。為了更深入地研究流體物性對流動特性的影響，通過數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方法進行分析。在數(shù)值模擬中，改變流體的密度和粘度參數(shù)，觀察流道內(nèi)的速度場、壓力場以及流動阻力的變化。實驗中，則選擇不同物性的流體，在相同的小尺度流道換熱器中進行流動實驗，測量流動阻力等參數(shù)。通過這些研究方法，可以得到流體物性參數(shù)與流動特性之間的定量關(guān)系，為小尺度流道換熱器的設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。流體的其他物性參數(shù)，如比熱容、導熱系數(shù)等，也會在一定程度上影響流動特性。比熱容和導熱系數(shù)會影響流體的溫度分布和熱量傳遞過程，而溫度的變化又會反過來影響流體的物性參數(shù)，從而間接影響流動特性。在小尺度流道換熱器中，由于流道尺寸小，熱量傳遞速度快，這些物性參數(shù)之間的相互影響更加復雜，需要綜合考慮。4.1.4雷諾數(shù)雷諾數(shù)（Re）在小尺度流道換熱器的流動特性研究中起著關(guān)鍵作用，它與流動狀態(tài)（層流、湍流）密切相關(guān)，并且臨界雷諾數(shù)的變化也對流動特性有著重要影響。雷諾數(shù)是一個無量綱數(shù)，它反映了流體流動中慣性力與粘性力的相對大小，計算公式為Re=\frac{\rhovd_e}{\mu}，其中\(zhòng)rho為流體密度，v為流體流速，d_e為當量直徑，\mu為流體動力粘度。當雷諾數(shù)較小時，粘性力在流體流動中起主導作用，流體的流動較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)層流狀態(tài)。在層流狀態(tài)下，流體的流速分布較為規(guī)則，各層流體之間互不摻混，熱量傳遞主要通過分子擴散進行。當雷諾數(shù)增大到一定程度時，慣性力逐漸占據(jù)主導地位，流體的流動變得不穩(wěn)定，開始出現(xiàn)湍流。在湍流狀態(tài)下，流體的流速分布變得復雜，存在著各種尺度的漩渦，這些漩渦的產(chǎn)生和消失會消耗能量，增加流動阻力，同時也會增強熱量傳遞。在小尺度流道中，層流向湍流過渡的雷諾數(shù)與常規(guī)尺度流道有所不同。微細通道層流向湍流過渡的雷諾數(shù)減小，其過渡雷諾數(shù)Re_c可為300-1000。山東建筑大學的實驗研究表明，小尺度流道內(nèi)流體流動的臨界雷諾數(shù)Re_c在700-1200之間。這意味著在小尺度流道中，流體更容易從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。這是因為小尺度流道的尺寸較小，流體的流速相對較高，使得慣性力更容易超過粘性力，從而促使流動狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。小尺度流道的壁面效應相對較強，壁面的粗糙度和形狀等因素會對流體的流動產(chǎn)生更大的影響，也可能導致臨界雷諾數(shù)的降低。臨界雷諾數(shù)的變化會對小尺度流道換熱器的性能產(chǎn)生重要影響。當流體的雷諾數(shù)接近或超過臨界雷諾數(shù)時，流動狀態(tài)的改變會導致流動阻力和換熱性能發(fā)生顯著變化。在設(shè)計小尺度流道換熱器時，需要準確把握臨界雷諾數(shù)，合理選擇流體的流速和流道尺寸，以確保換熱器在合適的流動狀態(tài)下運行，實現(xiàn)高效的換熱和較低的流動阻力。如果雷諾數(shù)過大，導致流體處于湍流狀態(tài)，雖然換熱效率可能會提高，但流動阻力也會大幅增加，從而增加能耗；如果雷諾數(shù)過小，流體處于層流狀態(tài)，換熱效率可能較低，無法滿足實際需求。為了研究雷諾數(shù)對流動特性的影響，通過實驗和數(shù)值模擬的方法，改變雷諾數(shù)，觀察小尺度流道內(nèi)流體的流動狀態(tài)、速度分布、壓力分布以及流動阻力等參數(shù)的變化。實驗中，可以通過調(diào)節(jié)流體的流速、更換不同物性的流體或改變流道尺寸等方式來改變雷諾數(shù)。數(shù)值模擬則可以更精確地控制雷諾數(shù)，并獲取流道內(nèi)詳細的流動信息。通過這些研究，可以深入了解雷諾數(shù)與流動特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為小尺度流道換熱器的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。4.2流動特性實驗研究4.2.1實驗裝置與流程為深入研究小尺度流道換熱器的流動特性，搭建了一套專門的實驗裝置。該裝置主要由實驗工質(zhì)回路和測量系統(tǒng)組成。實驗工質(zhì)回路由水箱、水泵、流量計、實驗段、板式換熱器及管路系統(tǒng)構(gòu)成。水箱用于儲存換熱介質(zhì)，本次實驗選用水和乙二醇溶液作為換熱介質(zhì)，以探究不同物性參數(shù)的流體對流動特性的影響。水泵提供動力，驅(qū)動工質(zhì)在回路中循環(huán)流動。流量計采用高精度的電磁流量計，能夠精確測量工質(zhì)的流量，其測量精度可達±0.5%，確保了流量數(shù)據(jù)的準確性。實驗段是整個裝置的核心部分，采用加工有20條槽道，當量直徑分別為0.55mm、0.91mm、1.38mm，槽道截面形狀為矩形和三角形的小尺度流道換熱器。板式換熱器用于冷卻加熱后的工質(zhì)，使其能夠循環(huán)使用，維持實驗的穩(wěn)定進行。測量系統(tǒng)則包括壓力傳感器、溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。壓力傳感器安裝在實驗段的進出口，用于測量工質(zhì)在流動過程中的壓力變化，其精度為±0.1kPa。溫度傳感器用于測量工質(zhì)的進出口溫度以及環(huán)境溫度，以監(jiān)測實驗過程中的溫度變化，確保實驗條件的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與壓力傳感器和溫度傳感器相連，能夠?qū)崟r采集并記錄實驗數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的分析處理。實驗操作流程如下：實驗開始前，先將水箱充入適量的換熱介質(zhì)，確保水箱內(nèi)的介質(zhì)體積達到其容積的80%。啟動水泵，調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)閥的開度，使工質(zhì)以設(shè)定的流量和流速進入實驗段。在實驗過程中，密切關(guān)注測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化，確保各參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。當實驗工況穩(wěn)定后，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下實驗段進出口的壓力、溫度以及工質(zhì)的流量等數(shù)據(jù)。為了保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，每個工況點重復測量3-5次，取平均值作為實驗結(jié)果。實驗結(jié)束后，關(guān)閉水泵和相關(guān)設(shè)備，對實驗數(shù)據(jù)進行整理和分析。4.2.2實驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析通過實驗，獲取了不同工況下小尺度流道換熱器的流動阻力系數(shù)等數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行了詳細的處理和分析。實驗結(jié)果表明，小尺度流道內(nèi)流動阻力系數(shù)低于常規(guī)尺度流道。這是因為小尺度流道的尺寸較小，流體與壁面的接觸面積相對較大，粘性力的作用相對增強，使得流體的流動更加穩(wěn)定，從而降低了流動阻力系數(shù)。以水為工質(zhì)，在當量直徑為0.55mm的小尺度流道中，當雷諾數(shù)為800時，流動阻力系數(shù)約為0.08；而在當量直徑為5mm的常規(guī)尺度流道中，相同雷諾數(shù)下的流動阻力系數(shù)約為0.12。矩形流道換熱器阻力特性明顯優(yōu)于三角形流道換熱器。這主要是由于三角形槽道的頂角處會形成較強的漩渦，這些漩渦雖然能夠增強流體的混合，提高換熱效率，但同時也會增加流動阻力。在相同的當量直徑（如0.91mm）和雷諾數(shù)（1000）條件下，矩形流道換熱器的流動阻力系數(shù)約為0.06，而三角形流道換熱器的流動阻力系數(shù)約為0.09。流動阻力系數(shù)隨當量直徑的增大而減小。當雷諾數(shù)處于紊流范圍時，測量得到的流動阻力系數(shù)隨當量直徑的變化情況如圖所示。從圖中可以清晰地看到，隨著當量直徑從0.55mm增大到1.38mm，流動阻力系數(shù)從約0.08逐漸減小到約0.04。這是因為當量直徑增大，流道橫截面積增大，流體流速相對減小，流體的動能減小，流動過程中的能量損失減少，從而導致流動阻力系數(shù)減小。[此處插入流動阻力系數(shù)隨當量直徑變化的實驗數(shù)據(jù)圖，橫坐標為當量直徑，縱坐標為流動阻力系數(shù)]阻力系數(shù)與介質(zhì)Pr數(shù)無關(guān)。實驗中分別采用水和乙二醇溶液作為換熱介質(zhì)，水的Pr數(shù)約為7，乙二醇溶液的Pr數(shù)約為15，在相同的雷諾數(shù)和流道尺寸條件下，測量得到的流動阻力系數(shù)基本相同。這表明在小尺度流道換熱器中，Pr數(shù)對流動阻力系數(shù)的影響可以忽略不計。小尺度流道內(nèi)流體流動的臨界雷諾數(shù)Re_c在700-1200之間。當雷諾數(shù)低于700時，流體處于層流狀態(tài)，流動較為穩(wěn)定，阻力系數(shù)相對較?。划斃字Z數(shù)超過1200時，流體進入湍流狀態(tài)，流動變得不穩(wěn)定，阻力系數(shù)明顯增大。臨界雷諾數(shù)的確定對于小尺度流道換熱器的設(shè)計和運行具有重要意義，在實際應用中，需要根據(jù)具體需求，合理控制雷諾數(shù)，以確保換熱器在合適的流動狀態(tài)下運行。4.3流動特性數(shù)值模擬研究4.3.1模擬方法與邊界條件設(shè)置在對小尺度流道換熱器的流動特性進行數(shù)值模擬研究時，采用有限容積法對控制方程進行離散求解。有限容積法的核心思想是將計算區(qū)域劃分為一系列不重疊的控制容積，使每個網(wǎng)格點都有一個對應的控制容積。通過對控制方程在每個控制容積上進行積分，將其轉(zhuǎn)化為離散方程。這種方法的優(yōu)勢在于能夠保證物理量在每個控制容積內(nèi)的守恒性，從而使計算結(jié)果更加準確可靠。在處理小尺度流道內(nèi)的復雜流動問題時，有限容積法能夠精確地捕捉到流體的流動細節(jié)，為深入研究流動特性提供了有力的工具。為了提高數(shù)值模擬的精度，對CFD軟件進行了二次開發(fā)。在開發(fā)過程中，改進了Boussinesq假設(shè)。傳統(tǒng)的Boussinesq假設(shè)在處理小尺度流道內(nèi)的流動問題時，由于沒有充分考慮流體物性隨溫度和壓力的變化，存在一定的局限性。通過改進Boussinesq假設(shè)，使其能夠更準確地描述小尺度流道內(nèi)流體的熱物理性質(zhì)變化，從而提高了數(shù)值模擬的準確性。在小尺度流道內(nèi)，流體的密度和粘度等物性參數(shù)會隨著溫度和壓力的變化而發(fā)生顯著改變，改進后的Boussinesq假設(shè)能夠?qū)崟r考慮這些變化，使得模擬結(jié)果更符合實際情況。對所有計算區(qū)域均采用變物性求解技術(shù)。在小尺度流道內(nèi)，流體的物性參數(shù)，如密度、粘度、導熱系數(shù)等，會隨著溫度和壓力的變化而發(fā)生顯著改變。采用變物性求解技術(shù)，可以實時考慮這些物性參數(shù)的變化，使得模擬結(jié)果更符合實際情況。在高溫或高壓的小尺度流道中，流體的密度和粘度可能會發(fā)生較大變化，采用變物性求解技術(shù)能夠準確地模擬這些變化對流動特性的影響。在湍流區(qū)的計算中，采用標準k-ε模型與壁面函數(shù)法相結(jié)合的方法。標準k-ε模型是一種常用的湍流模型，它通過求解湍動能k和湍流耗散率ε的輸運方程，來描述湍流的特性。壁面函數(shù)法則用于處理壁面附近的流動，由于壁面附近的流動具有很強的粘性作用，直接求解控制方程會面臨很大的計算困難，壁面函數(shù)法通過引入經(jīng)驗公式，將壁面附近的流動與主流區(qū)的流動聯(lián)系起來，從而簡化了計算過程。通過將標準k-ε模型與壁面函數(shù)法相結(jié)合，能夠有效地模擬小尺度流道內(nèi)的湍流流動特性。建立了小尺度流道換熱器的三維模型，模型的幾何參數(shù)基于實際的小尺度流道換熱器設(shè)計，確保模型的真實性和可靠性。在模型中，詳細考慮了流道的形狀、尺寸以及進出口的邊界條件。對于流道形狀，分別建立了矩形和三角形槽道的模型，以研究不同槽道形狀對流動特性的影響。矩形槽道模型的長、寬、高分別設(shè)定為L、W、H，其中長L根據(jù)實際換熱器的尺寸確定，寬W和高H則根據(jù)小尺度流道的當量直徑范圍進行調(diào)整，以滿足不同當量直徑的模擬需求。三角形槽道模型則根據(jù)等邊三角形的幾何特性進行構(gòu)建，邊長和高度也根據(jù)實際情況進行設(shè)定。在設(shè)定進出口邊界條件時，入口采用速度入口邊界條件，根據(jù)實驗設(shè)定的雷諾數(shù)范圍，計算出對應的入口流速，并將其作為速度入口的邊界條件。出口采用壓力出口邊界條件，設(shè)定出口壓力為大氣壓力。通過這樣的邊界條件設(shè)定，能夠較為真實地模擬小尺度流道換熱器在實際工作中的流動情況。在網(wǎng)格劃分方面，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進行離散。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓撲結(jié)構(gòu)，便于生成和管理，同時也有利于提高計算效率和精度。為了保證計算結(jié)果的準確性，對壁面附近的網(wǎng)格進行了加密處理。壁面附近是流體流動變化最為劇烈的區(qū)域，加密壁面附近的網(wǎng)格可以更精確地捕捉到壁面附近的速度梯度和壓力變化，從而提高模擬結(jié)果的可靠性。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，確定了合適的網(wǎng)格數(shù)量，以在保證計算精度的前提下，盡可能減少計算資源的消耗。4.3.2模擬結(jié)果與實驗驗證通過數(shù)值模擬，得到了小尺度流道內(nèi)的速度場、壓力場等流動特性結(jié)果。在速度場方面，不同槽道形狀的小尺度流道內(nèi)呈現(xiàn)出不同的速度分布特征。在矩形槽道中，流體在槽道中心區(qū)域的流速相對較大，而在靠近壁面處，由于壁面的粘性作用，流速逐漸減小，形成明顯的邊界層。當雷諾數(shù)較低時，流體處于層流狀態(tài)，速度分布呈現(xiàn)拋物線形狀，管中心處流速最大，靠近壁面處流速為零。隨著雷諾數(shù)的增加，流體逐漸向湍流狀態(tài)過渡，速度分布變得更加均勻，壁面附近的邊界層厚度減小，同時出現(xiàn)了各種尺度的漩渦，這些漩渦的存在增強了流體的混合，使得速度分布更加復雜。在三角形槽道中，由于槽道形狀的特殊性，流體在流動過程中更容易產(chǎn)生擾動，從而導致速度分布更加不均勻。在三角形槽道的頂角處，會形成較強的漩渦，這些漩渦會使流體的速度方向發(fā)生改變，導致局部流速增大。流體在壁面處的速度分布也與矩形槽道不同，由于壁面的傾斜，流體在壁面處的速度分布更加均勻，減少了邊界層的厚度。在壓力場方面，模擬結(jié)果顯示，小尺度流道內(nèi)的壓力沿流動方向逐漸降低，這是由于流體在流動過程中克服了壁面的摩擦阻力和流道內(nèi)的局部阻力，導致能量損失，從而使壓力降低。不同槽道形狀的壓力分布也存在差異，三角形槽道由于其流動阻力相對較大，壓力降低的幅度也相對較大。將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比驗證，以評估模擬的可靠性。在對比過程中，發(fā)現(xiàn)模擬得到的速度場和壓力場與實驗測量結(jié)果在趨勢上基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定的差異。例如，在相同的雷諾數(shù)和流道尺寸條件下，模擬得到的速度分布與實驗測量的速度分布相比，可能存在5%-10%的偏差。造成這種差異的原因可能是多方面的。在數(shù)值模擬中，雖然采用了變物性求解技術(shù)，但實際流體的物性參數(shù)可能受到多種因素的影響，如雜質(zhì)、溫度不均勻性等，這些因素在數(shù)值模擬中難以完全考慮，從而導致模擬結(jié)果與實際情況存在偏差。實驗過程中存在一定的測量誤差，速度傳感器、壓力傳感器等測量儀器的精度限制以及實驗操作過程中的不確定性，都可能導致實驗數(shù)據(jù)的誤差。模型的簡化也可能是造成差異的原因之一，在建立數(shù)值模型時，為了便于計算，可能對一些復雜的物理現(xiàn)象進行了簡化，這也會使得模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在一定的差異。盡管存在這些差異，但模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的趨勢一致性表明，數(shù)值模擬方法能夠有效地預測小尺度流道換熱器的流動特性，為進一步的研究和優(yōu)化設(shè)計提供了有力的工具。五、綜合性能分析5.1換熱與流動性能的權(quán)衡在實際應用中，小尺度流道換熱器的換熱性能與流動阻力之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)使得在提高換熱性能的同時，必須謹慎地兼顧流動阻力，以實現(xiàn)性能的優(yōu)化。從原理上分析，提高換熱性能往往會伴隨著流動阻力的增加。當采取一些措施來增強換熱時，例如減小流道尺寸以增加換熱面積體積比，這會導致流體在流道內(nèi)的流動空間變小，流速加快。根據(jù)流體力學原理，流速的增加會使得流體與壁面之間的摩擦加劇，從而導致流動阻力增大。在小尺度流道中，粘性力的作用相對增強，流速的變化對流動阻力的影響更為顯著。當流速增加時，粘性力對流體的阻礙作用也會增強，進一步加大了流動阻力。增強換熱還可能通過改變流道形狀或增加槽道布置的復雜性來實現(xiàn)，這些改變同樣會影響流體的流動特性，導致流動阻力上升。例如，采用三角形槽道雖然可以增強流體的混合，提高換熱效率，但由于其頂角處容易形成漩渦，會增加流動阻力。反之，若單純?yōu)榱私档土鲃幼枇Χ扇∫恍┐胧?，如增大流道尺寸或簡化槽道布置，又可能會犧牲換熱性能。增大流道尺寸會使換熱面積體積比減小，導致單位體積內(nèi)的換熱能力下降。簡化槽道布置雖然可以降低流動阻力，但可能會減弱流體的混合程度，不利于熱量的傳遞，從而降低換熱效果。為了實現(xiàn)性能的優(yōu)化，需要在換熱性能和流動阻力之間進行權(quán)衡。在設(shè)計小尺度流道換熱器時，可以通過調(diào)整多個關(guān)鍵參數(shù)來實現(xiàn)這一目標。在流道尺寸方面，需要綜合考慮當量直徑和高寬比的影響。適當增大當量直徑可以在一定程度上降低流動阻力，但同時可能會降低換熱系數(shù)，因此需要根據(jù)具體的工況和需求，找到一個合適的當量直徑范圍，以平衡換熱性能和流動阻力。對于高寬比，也需要進行優(yōu)化，不同的高寬比會導致流體在流道內(nèi)的流動狀態(tài)和溫度分布不同，從而影響換熱性能和流動阻力。通過數(shù)值模擬和實驗研究，可以確定在不同工況下，使換熱性能和流動阻力達到最佳平衡的高寬比。在槽道形狀的選擇上，需要綜合考慮換熱效果和流動阻力。矩形槽道的流動阻力相對較小，但換熱效果可能不如三角形槽道；三角形槽道雖然換熱效果較好，但流動阻力較大。在實際應用中，可以根據(jù)具體的需求和工況，選擇合適的槽道形狀。在一些對換熱效率要求較高且能夠承受較高流動阻力的場合，可以選擇三角形槽道；而在一些對流