帶次流道的波狀細通道熱沉流動特性研究

林清宇，朱禮，孫瑞娟，馮振飛，劉鵬輝，何榮偉

（1.廣西大學化學化工學院廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室，南寧530004；2.滄州職業技術學院，河北滄州061000）

帶次流道的波狀細通道熱沉流動特性研究

林清宇1，朱禮1，孫瑞娟2，馮振飛1，劉鵬輝1，何榮偉1

（1.廣西大學化學化工學院廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室，南寧530004；2.滄州職業技術學院，河北滄州061000）

為探究次流道對細通道熱沉流動性能的影響，使用CFD軟件對有無次流道的細通道熱沉進行數值模擬，分析表明，通過三種不同結構形狀的細通道熱沉流動特性的研究，說明結構變化后細通道熱沉的流動性能減弱，在通道內流體的流動的情況下必然損耗泵的功能。細通道同彎曲部分的流體會產生速度偏移，次流能影響相鄰細通道內流體的流動特性。

細通道熱沉；數值模擬；次流道

0　引言

自Tuckerman等[1]首次提出微通道熱沉，便吸引了大量國內外學者的關注。研究平直微通道熱沉的傳熱和流動特性，發現微細通道熱沉能有效進行散熱[2-3]。有的研究者期望改進微細通道的結構形式以提高傳熱能力[4-5]。微細通道內流體流動狀態的變化對換熱性能有顯著影響。最常用的改變流動狀態以達到強化傳熱手段是破壞流體流動的邊界層。

已有研究表明彎曲通道內由彎曲部分和離心力的綜合作用引起的二次流能提高傳熱系數[6-7]。Fan等[8]研究了有次流道的斜翅片細通道換熱器內流體的流動特性。將彎曲結構應用到細通道熱沉并基于鋸齒狀細通道熱沉進行優化，提出一種波狀細通道熱沉，并將次流道應用于波狀細通道熱沉中。對有無次流道的波狀細通道和常規直細通道熱沉進行數值模擬研究，并對比分析了3種細通道熱沉的流動特性。

1　模型描述

1.1幾何模型

3種細通道熱沉的材料均選用銅，三維模型采用一般CAD軟件建立。圖1為3種細通道熱沉的尺寸結構圖，（a）是常規直細通道熱沉CMS（conven?tional mini-channel heat sink）；（b）是波狀細通道熱沉WMS（wave mini-channel heat sink）；（c）是帶次流道的波狀細通道熱沉WMS-S（wave mini-channel heat sink with secondary passages）。3種熱沉細通道的截面均為3 mm×3 mm。在WMS的間壁上開截面尺寸為1 mm×1 mm的次流道制成WMS-S。

圖1　3種細通道熱沉的尺寸結構圖

1.2計算模型及邊界條件

對數值運算時的流體作出假設：流體是穩態不可壓縮層流流體；忽略流體的體積力、表面力、黏性耗散和輻射傳熱；流體的物性參數為常數。得到簡化控制方程式（1）：

式中：u、v、w分別為x、y、z的速度分量；?=1時，表示連續方程；?=u、v和w時，表示動量方程；?=T時，表示能量方程；Γ?為通用耗散系數；S?在不同方程中表示不同源項；ρ為密度，kg/m3。

熱沉的進口為進口速度邊界條件，速度v=0.05～0.6 m/s，入口溫度恒為300 K；熱沉的出口設為壓力邊界條件，出口相對壓力設為0；熱沉底面設為恒熱流邊界條件，熱流密度為5×104W/m2；其他壁面均為絕熱面。采用商用CFD軟件對上述方程進行求解，收斂系數為1×10-6。

1.3數學模型

非圓管水力直徑Dh的定義如式（2）：

式中：w表示截面寬，m；h表示截面高，m。

定義Re數（Reynolds number）如式（3）：

式中：vm為流體的平均速度，m/s；μ為動力黏度，Pa·s；f為流體。

表面摩擦系數f計算如式（4）：

式中：△p為進出口壓降，Pa；Lc表示通道長，m。

2　網格及數值方法檢驗

2.1網格獨立性檢驗

為保證計算精度和縮短計算時間，對CMS的網格獨立性進行了驗證。對進口流速為0.2 m/s的網格數級別為粗糙級別（120萬）、精細級別（270萬）和最精細級別（430萬）的CMS進行數值模擬計算。將粗糙和精細級別網格數的CMS的進出口壓降與最精細級別網格數進行對比得到誤差為6.7%和1.3%。可見精細級別的網格已滿足要求，因此熱沉計算模型的網格數均選用精細級別。

2.2數值方法有效性檢驗

采用文獻[9]中的摩擦系數公式進行了數值方法有效性驗證如式（5）～（7）：

式中：a=w/h表示細通道截面寬高比。

選用CMS進行數值方法有效性驗證，數值模擬和式（5）計算出的摩擦系數對比如圖2所示。可看出數值模擬計算出的表面摩擦系數與式（5）的計算結果吻合度較高，因此CMS采用的數值方法是有效的。3種細通道熱沉采用同樣的數值模擬方法，因此數值模擬方法是有效的。

圖2　CMS的摩擦系數驗證曲線圖

3　結果與討論

圖3為三種細通道熱沉的摩擦系數f隨進口流體Re數的變化。可以看出，隨著進口流體Re數的增加，3種細通道熱沉的f均減小。WMS和WMS-S的表面摩擦系數f高于CMS，說明結構變化后的細通道熱沉的流動性能減弱，在通道內流體的流動情況下必然損耗泵功能，對比WMS和WMS-S的表面摩擦系數f，發現兩者機會沒有差別，說明次流道的存在并有減弱波狀細通道的流動性能。

圖3　3種熱沉的f隨進口流體Re數的變化曲線圖

為了進一步探明次流道對波狀細通道熱沉流動特性的影響，取進口速度v=0.6 m/s時，WMS和WMS-S兩種細通道熱沉中間橫截面出流體域的速度云圖，如圖4所示。可以看出，細通道內的流體產生了不同程度的速度偏移，即流體的流動被破壞，導致其紊亂程度增加。WMS-S次流內的流體速度幾乎沒有變化，說明次流道內的流體沒有有效的參與到流體的流動中來形成流動死區。對比WMS和WMS-S同一細通道內流體的流動可發現，次流道的流體會對相鄰兩個通道內流體的速度造成影響，一定程度上改變著細通道內流體的流動狀態。

圖4　2種熱沉速度云圖

4　結論

通過對比分析了3種不同結構形狀的細通道熱沉流動特性，得到結論，WMS和WMS-S的摩擦系數f比CMS提高很多，而WMS和WMS-S相差不大。細通道內彎曲部分的流體會產生速度偏移，次流道能影響相鄰細通道內流體的流動特性。

[1]Tuckerman DB，Pease RF W.High-performance heatsinking for VLSI[J].IEEE Electron device letters，1981，2（5）：126-129.

[2]Wu H Y，Cheng P.Friction factors in smooth trapezoidal sili?con microchannels with different aspect ratios[J].Internation?al Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46（14）:2519-2525.

[3]Wu H Y，Cheng P.An experimental study of convective heat transfer in silicon microchannels with different surface condi?tions[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46（14）:2547-2556.

[4]夏國棟，柴磊，齊景智.梯形硅基微通道熱沉流體流動與傳熱特性研究[J].北京工業大學學報，2011，37（7）:1079-1084.

[5]唐慧敏，吳慧英，吳信宇.鋸齒形硅基微通道內流動與換熱特性實驗[J].航空動力學報，2010，25（6）:1264-1270.

[6]Akhavan-BehabadiMA，Pakdaman MF，GhazviniM.Experi?mentalinvestigation on the convective heattransferofnanoflu?id flow inside vertical helically coiled tubes under uniform wall temperature condition[J].International Communications in Heatand Mass Transfer，2012，39（4）：556-564.

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[8]Fan Y，Lee P S，Jin L W，et al.Experimental investigation on heat transfer and pressure drop of a novel cylindrical oblique fin heat sink[J].International Journal of Thermal Sciences，2014，76：1-10.

[9]Xia G，Chai L，Wang H，et al.Optimum thermal design of mi?crochannel heat sink with triangular reentrant cavities[J].Ap?plied ThermalEngineering，2011，31（6）：1208-1219.

FLOW CHARACTERISTICS OF WAVE MINI-CHANNEL HEAT SINK WITH SECONDARY PASSAGES

LIN Qing-yu1，ZHU Li1，SUN Rui-juan2，FENG Zhen-fei1，LIU Peng-hui1，HE Rong-wei1
（1.Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Vocational and Technical College of Cangzhou，Cangzhou Hebei 016000，China）

CFD software is used to investigate secondary passages for the effect on fluid flow mini-channel heat sinks.Through research on characteristics of mini-channnel heat sink of three different structures，we conclude that properties of mini-channel heat sink decrease with changes on structure，thus consumption occurs while flowing happans.The twist parts on mini-channel causes velocity shifts，flow characteristics of fluid in adjacent channels can be influenced by secondary flow.

mini-channel heat sink；numerical simulation；secondary passage

TK124

A

1006-7086（2016）05-0275-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.006

2016-05-24

廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室基金（2105Z012）

林清宇（1969-），女，福建福州人，教授，主要從事換熱過程裝備技術。E-mail：lingy121@gxu.edu.cn。