流體繞流微柱群的Micro-PIV實(shí)驗(yàn)研究

李永 ，呂明明* ，劉志剛 ，祝葉

(1. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院能源研究所，山東 濟(jì)南 250014；2. 江蘇省節(jié)能工程設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210007)

隨著微電子領(lǐng)域設(shè)備集成度的提高，微小空間散熱問題凸顯，嚴(yán)重影響微電子設(shè)備的運(yùn)行。微柱群作為一種高效微型散熱結(jié)構(gòu)，以其高面體比、高傳熱效率等優(yōu)點(diǎn)，在微小空間散熱領(lǐng)域受到高度關(guān)注[1-2]。大量研究表明，微柱群結(jié)構(gòu)具有顯著的強(qiáng)化換熱能力[3-4]。然而受流體繞流微柱體的影響，其內(nèi)部流動阻力也相對較高，這使得微柱群結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化傳熱效果受制于外界動力條件，嚴(yán)重阻礙了微柱群散熱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。掌握流體在微柱群內(nèi)部的流動特征，是實(shí)施微柱群通道減阻的基礎(chǔ)。

本文微柱群由不同排列方式的多個微圓柱組成，流體通過微柱群為流體繞流多個微圓柱的過程。圓柱繞流是流體力學(xué)中一個經(jīng)典而復(fù)雜的問題，廣泛存在于水利工程、航空航天、建筑工程等領(lǐng)域。馮·卡門較早從理論上研究了流體繞流圓柱產(chǎn)生渦街的穩(wěn)定性，此后眾多學(xué)者對圓柱繞流現(xiàn)象進(jìn)行了研究[5-14]。研究手段包括熱線風(fēng)速儀(HWA)、激光多普勒測速儀(LDV)以及粒子圖像測速技術(shù)(PIV)等。其中，PIV是一種瞬態(tài)、非接觸式、整場定量測速技術(shù)，非常適用于流場測量。由于圓柱繞流問題的復(fù)雜性，研究者針對單圓柱繞流問題進(jìn)行了大量研究。涂成旭等[5]利用PIV技術(shù)測量了單圓柱繞流流場中的渦結(jié)構(gòu)并分析了渦結(jié)構(gòu)變化機(jī)制。孫姣等[6]利用PIV技術(shù)對旋轉(zhuǎn)圓柱繞流問題進(jìn)行了研究，分析了繞流物體旋轉(zhuǎn)對尾流結(jié)構(gòu)的影響。Williamson等[7-8]總結(jié)了靜止和振動圓柱繞流的PIV實(shí)驗(yàn)研究，分析了回流區(qū)尾渦的形成機(jī)理。Goharzadeh等[9]采用二維PIV技術(shù)研究了Re為7 670時流體繞流直徑為22 mm的單圓柱的速度場分布，在圓柱尾流區(qū)觀察到了經(jīng)典的卡門渦街。Oru?等[10]利用PIV展示了不同Re下單圓柱尾流區(qū)由于剪切層脫離圓柱表面而產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)，并通過考察流場的渦量、雷諾應(yīng)力以及湍動能等參數(shù)，證明了在圓柱周圍布置水滴型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對圓柱繞流過程中渦形成的有效抑制作用。相比于單圓柱繞流，多圓柱繞流的尾流存在相互作用，流場更加復(fù)雜。陳波等[11-12]對串列和并列雙圓柱尾跡規(guī)律進(jìn)行了研究，表明壁面與圓柱間的距離以及圓柱之間的距離對繞流流場及渦脫落具有顯著影響。Ozturk等[3]采用PIV技術(shù)對管板式換熱器中直徑為50 mm的錯排圓柱群通道內(nèi)的流動情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在圓柱根部形成馬蹄形渦，圓柱表面渦的脫落具有準(zhǔn)周期性，相同Re下柱群通道內(nèi)的湍動能較單柱群通道大，從而說明柱群的換熱效果更好。

本課題組前期已對微柱群通道內(nèi)流動特性進(jìn)行了研究[15-16]，得到了不同Re下的流動阻力，然而，微柱群內(nèi)部的流動特征仍不清楚。本文利用Micro-PIV流場測試系統(tǒng)，研究不同Re(100～450)下水流過圓形截面微柱群通道的流場分布以及尾流區(qū)渦演變規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

圖1 Micro-PIV測試系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of Micro-PIV test system

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本研究采用Micro-PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對微柱群內(nèi)流場進(jìn)行測試，測試原理如圖1所示。所測流體中分散具有良好跟隨性和散射性的示蹤粒子，由激光器發(fā)射的光束照射所測流場，CCD相機(jī)同步記錄前后時刻的粒子位移，通過計算粒子位移和時間間隔，可以計算出粒子速度。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由光源系統(tǒng)、顯微成像系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。主要硬件設(shè)備包括激光器(YAG200-15-QTL，美國TSI)、CCD相機(jī)(PowerView Plus，美國TSI)、倒置顯微鏡(IX73，日本Olympus)以及同步控制器，其中激光器產(chǎn)生波長532 nm的光線。Micro-PIV系統(tǒng)的硬件控制、圖像采集及數(shù)據(jù)處理由INSIGHT 3G軟件完成。通過微量注射泵進(jìn)行流量設(shè)定，以控制流體流過微柱群通道的流速。

相比于常規(guī)尺寸流場測試的PIV實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用于微通道Micro-PIV實(shí)驗(yàn)的示蹤粒子尺寸也要小，通常在幾個微米。而粒子尺寸越小，其布朗運(yùn)動也越突出。為了防止因溶液帶電而發(fā)生粒子結(jié)團(tuán)，本實(shí)驗(yàn)中流體采用去離子水。實(shí)驗(yàn)所采用的示蹤粒子為三聚氰胺甲醛樹脂微球(武漢華科微科科技有限責(zé)任公司)，平均直徑為2 μm，密度為1.51 g/cm3，該粒子吸收532 nm的激光后能激發(fā)出610 nm的紅光。

1.2 實(shí)驗(yàn)段

微柱群通道實(shí)驗(yàn)段以紫銅為基底，采用機(jī)械加工制作。在熱沉微通道中設(shè)置與工質(zhì)流動方向相垂直的微柱體，采用機(jī)械加工技術(shù)加工微柱群。因?yàn)殄e排排布的微柱群比順排方式換熱效果好，所以本文微柱群排布方式采用錯排排布。實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)如圖2所示，幾何參數(shù)見表1。根據(jù)PIV測速原理，激光光束需要穿透流體，所以在通道的上面采用透明玻片進(jìn)行密封。由于機(jī)械加工精度有限，所以在部分微圓柱頂端與玻片之間存在縫隙，會有少量流體通過，對繞流流場產(chǎn)生一定影響。實(shí)驗(yàn)時根據(jù)圖像觀察，選取密封較好的流場區(qū)域進(jìn)行分析。

圖2 微柱群實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of experimental section with micro-cylinder-groups

LWHDSTSL473.50.50.40.81.2

本文主要對不同Re下微柱群的繞流流場進(jìn)行測量，Re的大小主要取決于流量的設(shè)定。微柱群通道中Re由下式計算得到：

(1)

圖3 Re=200的微柱群通道內(nèi)的速度場Fig.3 Velocity field in the channel with micro-cylinder-groups at Re=200

本文采用水力直徑作為微柱群的特征尺寸；umax為流體流過通道最小截面的流速，計算公式為：

(2)

2 結(jié)果與討論

利用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，考察了Re=100～450下微柱群通道內(nèi)的速度場和流場結(jié)構(gòu)。

圖3為Re=200時微柱群通道內(nèi)部分區(qū)域的速度場分布。由圖可以明顯看出在微圓柱體周圍，特別是迎風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)出現(xiàn)速度較低區(qū)域。眾所周知，流體繞流圓柱時，會在其周圍形成邊界層。在常規(guī)尺度下，相比繞流物體，邊界層厚度較小，基本可以忽略。而在微尺度下，邊界層厚度可與繞流物體特征尺寸在同一數(shù)量級，所以在本研究微肋通道內(nèi)可以明顯看到邊界層內(nèi)的低速區(qū)。而圓柱微肋背風(fēng)區(qū)的低速區(qū)域大于迎風(fēng)區(qū)，是因?yàn)樵谝欢≧e下，繞流微柱體的流體邊界層發(fā)生分離，流體在背風(fēng)區(qū)尾跡發(fā)生回流，產(chǎn)生渦結(jié)構(gòu)。

為了更清楚地了解微通道內(nèi)流體繞流微柱群的流場結(jié)構(gòu)，我們做出了不同Re下的時均流線圖。圖4為不同Re下微柱群通道內(nèi)流體繞流的流線圖。由圖4可以看出，當(dāng)Re>100時，在最中間微圓柱體的背風(fēng)區(qū)產(chǎn)生流體回流現(xiàn)象。通過實(shí)驗(yàn)可以觀察到，當(dāng)Re達(dá)到250的時候圓柱尾部出現(xiàn)了基本對稱的渦結(jié)構(gòu)，隨著Re的進(jìn)一步增加，當(dāng)Re≥300時，微圓柱體尾部出現(xiàn)了2個小旋渦。而在常規(guī)尺度下，當(dāng)5

圖4 不同Re下微柱群通道內(nèi)的流線圖Fig.4 Streamline in the channel with micro-cylinder-groups at different Reynolds numbers

圖4中間微圓柱尾部回流長度L隨Re的變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，回流長度隨Re的增加而增大。Re越大，表示來流速度也越大，回流區(qū)域外側(cè)動能越大，向下游流動的距離越遠(yuǎn)，從而使得回流區(qū)域向下游擴(kuò)展，所以微圓柱尾部回流長度增加。

圖5 不同Re下中間微圓柱的回流長度Fig.5 Backflow lengths of the middle micro-cylinder in the channel at different Reynolds numbers

3 結(jié)語

(1)在本研究范圍內(nèi)，當(dāng)Re>100時，微柱群最中間圓柱微肋背風(fēng)區(qū)產(chǎn)生回流現(xiàn)象，當(dāng)Re達(dá)到250時形成基本對稱的渦結(jié)構(gòu)，隨著Re的進(jìn)一步增加，尾流區(qū)出現(xiàn)2個小旋渦。相比于常規(guī)尺度，微尺度下柱體繞流過程中邊界層分離現(xiàn)象相對于宏觀尺度有一定的滯后性。

(2)受微通道兩側(cè)壁面與微圓柱體排布位置不對稱的影響，微柱群內(nèi)微圓柱繞流尾跡具有不對稱性。

(3)隨著Re的增大，即來流速度增大，回流區(qū)域外側(cè)動能增大，微圓柱體尾部回流長度增加。