渦旋微槽流動與傳熱特性數值模擬

席有民 余建祖 謝永奇 高紅霞

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院,北京 100191)

渦旋微槽流動與傳熱特性數值模擬

席有民 余建祖 謝永奇 高紅霞

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院,北京 100191)

渦旋微槽散熱器具有傳輸高熱流密度的潛力,在解決航空航天高功率密度器件熱控制方面具有廣泛應用前景.在實驗研究的基礎上,采用有限體積法對不同體積流量和槽道結構的渦旋微槽中的流動與傳熱特性進行了數值模擬研究.對渦旋微槽流動的穩定性進行了分析,給出了摩擦因子和 Nu數沿流動方向的變化曲線,并采用場協同原理對渦旋微槽強化傳熱的機理進行了探討.計算得到的微槽平均傳熱系數和摩擦阻力系數與實驗數據進行了對比.結果表明:渦旋微槽中二次流的出現是渦旋微槽強化傳熱的機理所在.

渦旋;微槽;有限體積法;傳熱;流動

隨著高性能電子芯片的發展,集成電路的特征尺度:“線寬”迅速減小,對電子設備芯片級高效冷卻技術的要求越來越高.自 20世紀 80年代中期文獻[1]提出“微槽散熱器”以來,微尺度流動與傳熱引起了國際電子學和傳熱學界廣泛的研究興趣.文獻[2-4]對相關研究進展進行了很好的總結,但大多數研究都是針對平直微槽.

螺旋管以及不同纏繞方式的平面彎曲盤管作為高效強化換熱方式,已成為強化換熱領域備受關注的研究對象.而上述結構應用于微槽進行強化換熱的研究才剛剛起步.作者所在的課題組在文獻[5]中提出一種渦旋微槽結構,并采用乙二醇水溶液作為工質對其流動與傳熱特性進行了實驗研究.

實驗研究難度大、成本高且無法獲得流場和溫度場的分布,而數值模擬可以獲得流場和溫度場的詳細信息.因此,本文在實驗研究的基礎上采用有限體積法對渦旋微槽的流動與傳熱特性進行了數值模擬研究,對其流動的穩定性和強化傳熱機理進行了分析.

1 計算模型

1.1 微槽幾何模型及實驗研究方法

渦旋微槽實驗件示意圖見圖 1,結構尺寸見表 1.微槽熱沉基板及微槽上部蓋板材料均為紫銅.實驗對不同流速、不同熱流密度下微槽的流動與傳熱特性進行了研究.通過對工質流量,工質進出微槽試件的壓力和溫度,以及微槽壁面溫度等參數的測量,得到了微槽的流動和傳熱特性.渦旋微槽實驗研究詳見文獻[5].

圖1 渦旋微槽實驗件及分區示意圖

表 1 渦旋微槽結構參數

1.2 數值模型及邊界條件

文獻[6-7]的實驗研究表明,流體在彎曲微小通道中流動的臨界雷諾數 Rec=1000～1 200,且隨著曲率半徑的減小,Rec也逐漸減小.故假設流體不可壓縮,對 Re＜1000時,采用完全發展層流模型;而 Re＞1 000時,采用 RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型,同時采用增強壁面函數來處理流動中的粘性底層.與實驗研究相同,流體由外向內沿渦旋槽流動 4圈由中心流出.進出口邊界條件分別采用速度進口和壓力出口,流固界面采用無滑移邊界條件.熱邊界條件采用三面均勻熱流一面絕熱的邊界條件,絕熱面設定為頂面,即圖 1中渦旋槽基板與蓋板的交界面.

1.3 網格劃分與計算

采用文獻[8-9]對平直微槽數值模擬的簡化處理方法,把計算域設定為單個渦旋槽道.為了對網格劃分進行局部控制以及后處理的方便,把計算域劃分為 57個區.分區后的渦旋微槽計算域及坐標如圖 1所示,原點在渦旋微槽底面,z坐標方向由右手螺旋法則確定,即 z正向垂直紙面向外.截面網格單元數為 20×20γ(γ為深寬比),網格總數為 20×20γ×846.計算表明這樣的網格劃分滿足網格無關解.

采用 FLUENT 6.2軟件對連續性方程、動量方程和能量方程進行求解.計算時壓力方程采用標準插值格式,動量方程和能量方程均采用QUICK插值格式,壓力和速度的解耦采用 SIMPLE算法.

2 計算結果與討論

2.1 渦旋微槽流動穩定性

流體沿渦旋微槽流動的過程中,微槽曲率逐漸增大.工質受曲率效應的影響,在離心力作用下產生二次流.二次流沿槽道徑向由中心流向外側、沿管壁流向內側,與主流相重疊.曲率增大使得二次流的強度增加,二次流的結構也變得復雜.

圖2為試件1在體積流量為 10L/h時在不同位置截面速度分布矢量圖.θ為由進口處開始,流過的角度.定義垂直軸向主流速度的微槽截面速度分量與軸向主流速度分量之比為二次流強度,記為 ψ(本文所考核的面均在 yOz平面).

其中,ux,uy,uz分別為工質沿 x,y,z方向的速度分量.

圖2 渦旋微槽沿程截面速度分布

由圖 2可以看出,隨著流動的發展,ψ逐漸增大,即渦旋槽內的二次流強度逐漸增大.二次流的結構也由進口處簡單的分層流,逐步過渡到單對渦結構、雙對渦結構直至復雜的多對渦結構.

圖3為試件 1～3在進口流速為 2.6m/s(對應體積流量分別為 10,15和 20L/h),θ=7π時截面速度分布.由圖 3可知,在相同流速下,隨 γ增大,二次流強度增大,結構也變得愈加復雜.

數值計算結果還表明,增大微槽體積流量,二次流強度增加,這是由于主流速度增大會使工質所受離心力增大.對比試件 1和 4,2和 5,3和 6的計算結果發現槽寬對微槽中流動穩定性的影響較弱.這與所研究槽寬變化幅度較小有關.

圖3 不同深寬比渦旋微槽流動穩定性

2.2 渦旋微槽沿程流動與傳熱特性

對微槽流動與傳熱計算結果進行分區處理,可以了解微槽局部流動與傳熱特性.根據數值計算可得到各區進口壓力 pin、出口壓力 pout、流體進口平均溫度 Tin、出口平均溫度 Tout以及壁面平均溫度 Tw,應用下式可計算得到各區的摩擦因子 f、對流換熱表面傳熱系數 h和努塞爾數 Nu.

其中,ρ為工質密度;u為工質流速;L為所計算分區的長度;qv為工質體積流量;c為工質比熱,A1,A2分別為所計算分區微槽底面和側面面積,Tf為所計算分區工質的平均溫度;λ為工質熱導率.

圖4為試件 2在加熱面熱流密度設定為30W/cm2時不同工質體積流量(10和 20L/h)對應的流動與傳熱特性圖.由圖 4可知,在進口段 f和 h都逐漸減小,流動進口段和熱進口段效應明顯.沿程 h和 Nu變化趨勢和幅度基本相同.在出口段由于存在渦旋微槽曲率的增加以及可能出現的回流,使得 f和 h表現出復雜的變化趨勢.由于曲率效應引起的流動失穩使得沿程流動與傳熱特性存在一定的波動,與平直微槽單調變化的趨勢有很大不同.

圖4 渦旋微槽沿程流動與傳熱特性

2.3 渦旋微槽強化傳熱機理分析

文獻[5]的實驗研究表明,渦旋微槽的傳熱性能優于平直微槽,但實驗研究只能獲得微槽的整體平均傳熱性能,難以揭示其強化傳熱機理.數值計算結果可獲得微槽沿程的流場和溫度場分布,可為分析其強化傳熱機理提供依據.

文獻[10-11]重新審視對流換熱物理機制后,提出了場協同原理.場協同原理指出,對流換熱從本質上來說是具有內熱源的導熱,流體的運動起著當量熱源作用.對流換熱的強度取決于當量熱源的強度,而當量熱源的強度不僅取決于流體與固壁的溫差、流動速度、流體熱物理和輸運性質,而且還取決于流體速度矢量與熱流矢量的夾角,即不僅取決于速度場、溫度場、夾角場的絕對值,還取決于這 3個標量的相互搭配,也即取決于速度場與熱流場的協同.

平直槽道對流換熱中大部分區域的速度矢量與熱流矢量的夾角接近 90°,這是由于熱流方向基本上沿著槽道徑向,而流速則沿著軸向,也就是說,缺乏徑向流動導致協同角接近 90°.由渦旋微槽流動穩定性分析可知,渦旋微槽中存在沿微槽徑向流動的二次流.因此,二次流的存在必將減小協同角,改善速度場與熱流場的協同.

圖5為試件5在體積流量20L/h時不同位置的溫度分布圖.由圖 5可知,由于渦旋微槽中二次流的存在改善了速度場和熱流場的協同,使得渦旋微槽的截面溫度分布發生了變化.從截面溫度分布圖可以看出,渦旋微槽截面溫度分布不再是規則的分層分布,而是出現了與二次流相似的旋渦分布.渦旋微槽外側壁和底面的換熱能力得到大幅提高,溫度最高點出現在渦旋槽內側壁中心區域.

圖5 不同位置渦旋微槽截面速度分布和溫度分布圖

2.4 與實驗結果的對比

圖6為渦旋微槽流動及傳熱特性數值計算與實驗研究結果對比圖.雖然由于微槽流動與傳熱實驗數據測量的難度大,影響因素多,導致實驗獲得的數據較為分散,但由圖 6仍可以看出,渦旋微槽流動阻力系數實驗研究獲得的主體數據與數值計算結果是一致的,并且隨著體積流量的增加,渦旋微槽中 Re數增大,流動阻力系數數值計算與實驗結果的差值逐漸減小.傳熱特性的計算在 Dean數小于 500的范圍內數值計算結果與實驗誤差較小,Dean數大于 650時誤差較大,其原因有待進一步研究.

圖6 渦旋微槽數值計算與實驗結果的比較

3 結 論

本文采用數值模擬方法對渦旋微槽流動與傳熱特性進行了研究,得到了不同試件、不同流速和熱流下的流場和溫度場分布.對計算結果的分析表明:①液體工質在渦旋微槽中受曲率的影響,流動結構不斷發生變化.除曲率外,流動結構還受工質流速、微槽其他結構因素等的影響.②渦旋微槽沿程流動與傳熱特性受微槽中二次流的影響表現出復雜的變化規律.③渦旋微槽中二次流的出現,改善了速度場與熱流場的協同性,同時改變了微槽截面的溫度分布,是渦旋微槽強化傳熱的機理所在.

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(編 輯 :李 晶)

Numerical simulation of flow and heat transfer in sw irlm icrochannels

Xi Youmin Yu Jianzu Xie Yongqi Gao Hongxia

(Schoolof Aeronautic Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Swirlmicrochannel heat exchanger has the potential to transfer high density thermal flux.It will have great application prospect in solving thermal control problem of aviation and aerospace high power density component.On the basis of experimental research,a numerical simulation of flow and heat transfer in swirl micro channels was conducted.The computation using the finite volume method was performed under different flux for several test sections with different channel structure.The flow stability in the swirl micro channel was analyzed.The variation curves of local friction factor and Nusselt number along flow channel were presented.The enhancing heat transfer in swirl micro channel was discussed with field synergy principle.The calculated mean heat transfer coefficients and flow friction factors were compared with experimental data.The results show that the secondary flow is the mechanics strengthening heat transfer in swirl micrcochannel.

swirling flow;microchannels;finite volume method;heat transfer;flow

V 434+.14

A

1001-5965(2010)11-1369-04

2009-09-03

國家自然科學基金資助項目(50676007)

席有民(1978-),男,山西臨汾人,博士生,xiym@163.com.