席有民　　余建祖　　謝永奇　　高紅霞

                   (北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京100191)　　

    摘要：以體積濃度30%的乙二醇水溶液為工質(zhì),采用定熱流加熱方式,對槽寬0. 3mm的4個深度不同的矩形截面渦旋微槽試件的換熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.試件所用材料為紫銅,每個試件上分布6個渦旋微槽.實(shí)驗(yàn)測量了不同工質(zhì)流量,不同加熱功率下渦旋微槽的換熱性能,分析了微槽結(jié)構(gòu)、工質(zhì)流速對其換熱性能的影響,擬合得到相應(yīng)的換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式.與平直微槽的換熱性能進(jìn)行了對比,結(jié)果表明渦旋微槽散熱器的換熱性能優(yōu)于平直微槽散熱器.

    關(guān)鍵詞：渦旋;微槽;傳熱

    中圖分類號：V 434+. 14

    文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　　　　文章編號：1001-5965(2009)03-0288-04

    自20世紀(jì)80年代中期美國學(xué)者Tuckerm和Pease提出“微槽散熱器”以來,微尺度流動和傳熱現(xiàn)象一直是國際電子學(xué)界和傳熱學(xué)界研究的熱點(diǎn)[1].渦旋微槽是指槽道為渦旋狀的微槽.由于其流道是彎曲的,流體在流動過程中受到離心力作用,流動結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,使得渦旋微槽中的流動和換熱性能與平直微槽相比表現(xiàn)出很大的不同.這也使得渦旋微槽具有適應(yīng)航空電子設(shè)備在變加速度環(huán)境下散熱的潛力.使用液體工質(zhì)的平直槽道在飛行器做機(jī)動飛行時,由于力學(xué)環(huán)境變化將可能造成散熱條件的惡化(如工質(zhì)脫離散熱面).航空飛行器愈向高空高速發(fā)展,過載加速度的影響愈大,航空電子設(shè)備性能和可靠性的提高愈依賴于加速度環(huán)境下散熱技術(shù)的發(fā)展.因此,對渦旋微槽的換熱性能進(jìn)行研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義.

    1　渦旋微槽實(shí)驗(yàn)件結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)裝置

    1. 1　渦旋微槽實(shí)驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

    渦旋微槽結(jié)構(gòu)如圖1所示, 6個渦旋槽采用微細(xì)加工技術(shù)在紫銅基板上加工得到.渦旋微槽試件的幾何尺寸見表1.試件結(jié)構(gòu)如圖2所示.蓋板與渦旋槽基板之間采用聚四氟乙烯薄膜密封,防止液體工質(zhì)在槽道間的竄流.進(jìn)出口管焊接在蓋板上.液體工質(zhì)從進(jìn)口管流入,沿渦旋槽流動4圈后從中心流出.在蓋板側(cè)面開孔與液體進(jìn)出口相通,以便安裝溫度傳感器,測量液體工質(zhì)的進(jìn)出口溫度.在渦旋槽基板側(cè)面距槽底1. 5mm處開了8個安裝溫度傳感器的小孔(每個側(cè)面2個孔),用來測量渦旋槽壁面溫度. 8個測溫點(diǎn)從進(jìn)口處開始分別位于渦旋槽的0. 5π,π, 2π, 3π, 4π, 6π,6. 5π, 7π處.

                 

    1. 2　實(shí)驗(yàn)裝置

    實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖3.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由液體循環(huán)與冷卻系統(tǒng)、加熱與控制系統(tǒng)和參數(shù)測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成.實(shí)驗(yàn)采用體積濃度30%的乙二醇水溶液為工質(zhì).工質(zhì)從恒溫水槽流出,由泵提高壓力后分為兩路,一路流經(jīng)試件,另一路進(jìn)入旁通回路,通過閥門調(diào)節(jié)流經(jīng)試件的流量.該流量由金屬管浮子流量計(jì)LZD-15測量,根據(jù)流量范圍不同,選用了2個流量計(jì).工質(zhì)在渦旋槽進(jìn)出口處的溫度由K型熱電偶測量,其探頭直徑為1mm,在渦旋槽下方布置的用來測量壁面溫度的熱電偶探頭直徑為0. 5mm,精度為±0. 5℃.測量信號經(jīng)HP34970A高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中.兩根直徑6mm的加熱棒為實(shí)驗(yàn)提供恒熱流密度加熱.加熱棒由可調(diào)節(jié)功率電源DH1716A-13為其供電.

                    

    2　數(shù)據(jù)處理與誤差分析

    2.1　De數(shù)

    文獻(xiàn)[2-3]對水在圓截面螺旋槽道的流動研究中,首次對彎曲槽道的“二次流”進(jìn)行了深入的理論分析.采用小曲率假設(shè)(即認(rèn)為槽道直徑d與螺旋中心線直徑D相比為無窮小量)對動量方程和連續(xù)性方程進(jìn)行了簡化.在這個假設(shè)條件下,可用無量綱參數(shù)得到包括二次流和主流軸向流動的動態(tài)近似解,該無量綱參數(shù)為：

                   

    式中,Re為雷諾數(shù),其特征尺度為d,表征流體流動過程中的慣性力與粘性力之比.這個無量綱數(shù)的后半部分開方就得到了De數(shù),即

                   

    可見De數(shù)為慣性力與離心力和粘性力之比由于“二次流”是由離心力和粘性力的相互作用引起,所以De數(shù)是“二次流”強(qiáng)度的量度.取中心渦旋的曲率直徑Dc作為渦旋槽的名義曲率直徑.由于Dc是連續(xù)變化的,所以De數(shù)也是連續(xù)變化的.又本文研究的渦旋槽為矩形截面故式(2)中d應(yīng)取為dh.對De數(shù)沿渦旋槽中心線進(jìn)行平均,即取

                   

    為渦旋微槽中“二次流”強(qiáng)度的量度.其中,L為渦旋槽中心線的長度.

    2.2　對流換熱系數(shù)

    換熱量Q可由下式得出

    Q =ρqVCpΔT (4)

    式中,ρ為工質(zhì)密度; qV為體積流量; cp為定壓比熱容;ΔT=Tout-Tin,為工質(zhì)溫升;Tin,Tout分別表示工質(zhì)進(jìn)出口溫度.

                  

    式中,k為定性溫度下工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù).以上各式中的物性參數(shù)均以工質(zhì)進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值作為特征溫度來計(jì)算.工質(zhì)物性參數(shù)的計(jì)算公式由文獻(xiàn)[4]中的數(shù)據(jù)擬合得到.

    2.3　誤差分析

    實(shí)驗(yàn)中直接測量量有Tin,Tout,Tiw,qV等,間接測量量有h,Q,q等.通過對各測量量進(jìn)行不確定度分析可得[5], h的不確定度為U (h ) /h≤28.3%,q的不確定度為U(q) /q≤25.4%.

    3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    3.1　流速對渦旋微槽換熱性能的影響

    實(shí)驗(yàn)中通過改變qV來分析流速對換熱性能的影響.圖4a、圖4b分別為試件1在不同qV下的q-Tw和h-Tw曲線圖.由圖4a可知,在q相同的情況下,qV增大,將使Tw降低.Tw相同時, qV增加,可以使q大幅增加.特別在Tw較高時,效果更為顯著.由圖4b可知,對同一試件, qV增加,可以大幅提高h(yuǎn).

    其他試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,也有相同規(guī)律.但增大qV,需要泵提供更大的壓頭.對渦旋微槽,由于流動阻力較大,在實(shí)際使用中需對提高槽道換熱能力與克服微槽流動阻力進(jìn)行綜合權(quán)衡來確定qV.

    3.2　γ對渦旋微槽換熱性能的影響

    對不同試件在qV接近、恒溫水槽溫度相同條件下的換熱性能圖疊加,進(jìn)行對比.圖5a和圖5b給出了3個不同試件在恒溫水槽溫度為20℃時的q-Tw和h-Tw曲線圖.

                 

    由圖5可知,在恒溫水槽溫度相同,qV相近以及相同的Tw下,3個試件的q相差不大,但是h相差較大,以試件2的最大,試件4的最小.這是由于隨著γ的增加,試件的dh增大,使得同樣流量下流速降低,h減小,而γ的增加卻使Aw增大.由于實(shí)驗(yàn)中3個試件的Aw1均相同,由式(5)可知,q只隨Q變化.又由式(6)可知,Q∝h且Q∝Aw.

    綜合試件在其他流量下的實(shí)驗(yàn),可得出相似的規(guī)律.可見,為了滿足一定熱流密度的散熱要求,在其他條件相同的情況下,可選擇γ大的試件,此時h較小,流動阻力也較小;也可選擇γ小的試件,此時h較大,流動阻力也較大.

    3.3　De數(shù)對渦旋微槽換熱性能的影響

    由式(2)可知,流速和dh是De數(shù)中重要的兩項(xiàng),在微槽寬度相同時,dh僅與γ有關(guān).本文實(shí)驗(yàn)研究所用試件的基圓直徑、槽寬和渦旋節(jié)距均相同,故De數(shù)對渦旋微槽換熱性能的影響主要體現(xiàn)在流速和γ對換熱性能的影響.這兩項(xiàng)的影響,可由以上分析得出.需要指出的是,微槽節(jié)距相同,槽道寬度不同則Dc不同.這將對渦旋微槽中的“二次流”產(chǎn)生重要影響,對渦旋微槽的換熱性能也會產(chǎn)生重要影響,有關(guān)這方面的研究將在后續(xù)工作中進(jìn)行.

    3.4　渦旋微槽強(qiáng)迫對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

    為進(jìn)一步得出渦旋微槽單相對流換熱性能與其影響因素之間的數(shù)值依變關(guān)系,綜合考慮工質(zhì)物性、微槽結(jié)構(gòu)等的影響,得出如下關(guān)聯(lián)式：

               

    式中,Pr為普朗特?cái)?shù).De數(shù)、Pr數(shù)的定性溫度取工質(zhì)進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值.式(9)的全相關(guān)系數(shù)R= 0.968,剩余標(biāo)準(zhǔn)差S=0.072.

    3.5　渦旋微槽與平直微槽換熱性能的對比

    文獻(xiàn)[6]對質(zhì)量濃度為66%的乙二醇水溶液在矩形微槽中的換熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并得出實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式.由于所用微槽截面及所用工質(zhì)和實(shí)驗(yàn)條件均與本文接近,故用以作為對比.圖6為平直微槽實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,渦旋微槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果和渦旋微槽實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的Re-Nu圖.可見,渦旋微槽的換熱性能要優(yōu)于平直微槽,尤其Re數(shù)較大時,優(yōu)勢愈明顯.

                

    微槽實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的Re-Nu圖.可見,渦旋微槽的換熱性能要優(yōu)于平直微槽,尤其Re數(shù)較大時,優(yōu)勢愈明顯.

    4　結(jié)　論

    以30%乙二醇水溶液為工質(zhì),對渦旋微槽換熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.主要結(jié)論如下:

    1)工質(zhì)流速、微槽結(jié)構(gòu)對渦旋微槽換熱性能具有重要影響,實(shí)際應(yīng)用中需綜合考慮換熱性能與流動阻力間的匹配;

    2)對所研究的矩形渦旋微槽,給出了單相強(qiáng)迫對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式;

    3)與平直微槽換熱性能進(jìn)行對比,表明渦旋微槽換熱性能優(yōu)于平直微槽,Re數(shù)越大,差別越明顯.

    從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,以30%乙二醇水溶液為工質(zhì),在60℃左右的壁溫下,可以實(shí)現(xiàn)120W /cm2以上的較高熱流密度的單相對流換熱,滿足中高強(qiáng)度電子元器件的散熱要求.

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