1、第4 4卷第3期河 北 科 技 大 学 学 报V o l.4 4,N o.32 0 2 3年6月J o u r n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yJ u n e2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 4 2(2 0 2 3)0 3-0 2 2 8-0 9分-合式微通道流动传热性能数值模拟蒋静智,刘华峰,安京州(河北科技大学机械工程学院,河北石家庄 0 5 0 0 1 8)摘 要:针对矩形微通道进出口压降大、温度分布不均匀,以及分形微通道受到分形维数和分支数限制适用范
2、围较窄的问题,结合矩形微通道和分形微通道的优势设计一种分-合式微通道散热器。使用F l u e n t软件对散热过程进行数值模拟,研究微通道内分支倾斜角度变化对流动和传热性能的影响。结果表明,在1 0 0W/c m2的热流密度下,R e为9 7 0、分支倾斜角度为9 0 时,分-合式微通道平均温度降低了1 1.9K,最高温度降低了1 4.2K,N u增加了8 5.7%,整体传热性能(P E C)也最佳,达到1.4 4。分支的引入可以增加微通道内部换热面积,同时形成新的边界层,在分支内侧产生漩涡,有效提高了微通道散热器的传热性能,为微通道的优化设计提供了新的理论依据。关键词:传热学;微通道;微型
3、设备;数值模拟;传热中图分类号:T K 1 7 2 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b k d.2 0 2 3 y x 0 3 0 0 3 收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 7;修回日期:2 0 2 3-0 5-0 5;责任编辑:冯 民基金项目:国家自然科学基金(5 1 7 0 6 0 5 8);河北省自然科学基金(E 2 0 1 9 2 0 8 3 4 5)第一作者简介:蒋静智(1 9 7 2),女,河北阜城人,教授,博士,主要从事强化传热及储能方面的研究。E-m a i l:j j z h i 2 0 0 01 2 6.c o m蒋静智,刘华峰,安京州.分-合式
4、微通道流动传热性能数值模拟J.河北科技大学学报,2 0 2 3,4 4(3):2 2 8-2 3 6.J I AN GJ i n g z h i,L I U H u a f e n g,A nJ i n g z h o u.N u m e r i c a ls i m u l a t i o no f f l o wa n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ei nb r a n c ha n dc o m b i n e d-b r a n c hm i c r o c h a n n e lJ.J o u r n a l o fH e b
5、 e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(3):2 2 8-2 3 6.N u m e r i c a l s i m u l a t i o no f f l o wa n dh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c e i nb r a n c ha n dc o m b i n e d-b r a n c hm i c r o c h a n n e lJ I ANGJ i n g z h i,L I U H u a f e n g,A
6、NJ i n g z h o u(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,H e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep r e s s u r ed r o pa t t h e i n l e t a n do u t l e to f r e c t a n g u l a
7、 rm i c r o c h a n n e l i s l a r g e,a n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni su n e v e n;F r a c t a lm i c r o c h a n n e l i s l i m i t e db y f r a c t a l d i m e n s i o na n dt h en u m b e ro fb r a n c h e s,s o i t sa p p l i c a t i o ns c o p e i sn a r r o w.Ab r a
8、n c ha n dc o m b i n e d-b r a n c hm i c r o c h a n n e l h e a t s i n kw a sd e s i g n e db yc o m b i n i n g t h e a d v a n t a g e so f r e c t a n g u l a rm i c r o c h a n n e l a n df r a c t a lm i c r o c h a n n e l,a n dF l u e n t s o f t w a r ew a su s e dt on u m e r i c a l l
9、ys i m u l a t e i t sh e a td i s s i p a t i o np r o c e s st os t u d yt h ef l o wa n dh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c ew h e nt h eb r a n c ht i l t a n g l e i n s i d e t h em i c r o c h a n n e l c h a n g e s.T h e r e s u l t s s h o wt h a t a t t h eh e a t f l o wo f1 0 0W
10、/c m2,w h e nt h eR ei s9 7 0a n dt h eb r a n c ht i l t a n g l e i s9 0,t h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo f t h eb r a n c ha n dc o m b i n e d-b r a n c hm i c r o c h a n n e l d e c r e a s e sb y1 1.9K,t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ed e c r e a s e sb y1 4.2K,t h eN ui n c r e
11、 a s e sb y8 5.7%,a n dt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nc r i t e r i o n(P E C)i sa l s ot h eb e s tb yr e a c h i n g1.4 4.T h e i n t r o d u c t i o no fb r a n c h e sc a ni n c r e a s et h eh e a tt r a n s f e ra r e ai n s i d et h e m i c r o c h a n n e l,f o r man e wb o u n
12、 d a r yl a y e r,a n dg e n e r a t ev o r t i c e sa tt h ei n n e rs i d eo ft h eb r a n c h,第3期蒋静智,等:分-合式微通道流动传热性能数值模拟e f f e c t i v e l y i m p r o v i n gt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h em i c r o c h a n n e lh e a ts i n k s,w h i c hp r o v i d e sn e wt h e o r e t
13、 i c a lb a s i sf o ro p t i m i z i n gt h ed e s i g no fm i c r o c h a n n e l s.K e y w o r d s:h e a t t r a n s f e r;m i c r o c h a n n e l;m i c r od e v i c e;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;h e a t t r a n s f e r 随着电子工业技术的迅速崛起,电子元器件正在向集成化、高频化方向发展,电路板热流密度也在不断突破新高。当电子元器件工作时,如果热量无法被
14、及时散出,内部温度就会逐渐上升,从而严重影响自身的性能和可靠性1-2。研究表明:电子元器件的可靠性对温度十分敏感,当工作温度达到7 08 0后,每上升1,可靠性就会下降5%,温度过高已成为现在大多数设备失效的主要原因3。微通道散热器具有体积小、散热快、反应时间短等优势,在解决微型设备器件的高热负荷问题方面极具应用前景4。近年来,矩形微通道5-8和分形树状微通道9-1 1的结构优化研究领域出现了很多优秀研究成果,为微通道的设计提供了良好的理论指导。TU C K E RMAN等1 2首次提出了微通道散热器,发现微尺度下流体的散热效果要比宏观尺度好得多。陈孝根等1 3研究了不同高宽比矩形微通道的散热
15、性能,结果表明,微通道的高宽比为24时最好。GUNNA S E GA R AN等1 4对不同截面形状微通道的传热性能进行了实验验证,结果表明,截面形状对微通道的传热性能有较大的影响。朱崎峰等1 5对不同凹槽形状微通道进行实验验证,结果表明,微通道凹槽为扇形且水力直径较小时换热系数高,凹槽为三角形且水力直径较大时换热系数高。CHA I等1 6在传统平直微通道结构的侧壁上添加扇形肋,结果表明,这种结构的微通道散热器综合性能有了很大提升。P E NG等1 7验证了分形树状微通道的流动性能,结果表明,树状结构可以有效降低流动阻力。HUANG等1 8对变截面分形树状微通道散热器的传热性能进行研究,发现变
16、截面结构可以进一步提高散热器的传热性能。WANG等1 9使用3 D打印技术制造了Y型和H型树状结构散热器,发现H型结构散热器的传热性能较好,Y型结构散热器的压降较小。P E N C E2 0分析了分形树状微通道散热器转角结构和交叉结构对流动和传热性能的影响,结果表明,在转角结构和交叉结构区域,流体流动扰动增强并破坏了流动边界层,从而提高微通散热器的换热能力。矩形微通道散热器结构的改进可以提高传热性能,但是进出口压降也在增加,并且沿流动方向流体的温度会逐渐上升。分形树状微通道散热器在具有更高换热性能和较为均匀的温度分布的同时,具有较低的压降和泵功消耗,但是分形树状微通道散热器受到分形维数和分支数的限制,其入口段换热面积小,换热效率较低,且结构形状被限制,导致其适用性下降。针对上述问题,设计一种分-合式微通道散热器2 1,并对微通道内的流体流动和传热性能进行模拟研究。1 微通道数值模拟HW图1 矩形微通道结构示意图F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f r e c t a n g u l a rm i c r o c h a n n e l s
