波浪型細(xì)通道熱沉內(nèi)納米流體的流動(dòng)特性

張國(guó)睿

（連云港沃利帕森工程技術(shù)有限公司天津分公司，天津 300201）

波浪型細(xì)通道熱沉內(nèi)納米流體的流動(dòng)特性

張國(guó)睿

（連云港沃利帕森工程技術(shù)有限公司天津分公司，天津 300201）

為探究波浪型細(xì)通道熱沉內(nèi)納米流體的流動(dòng)特性，以去離子水及體積分?jǐn)?shù)為1%的水基Al2O3納米流體為工質(zhì)，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)比研究這兩種工質(zhì)在波浪型細(xì)通道熱沉內(nèi)的流動(dòng)特性。研究結(jié)果表明，兩種工質(zhì)的速度場(chǎng)變化不大，壓力場(chǎng)亦如此；去離子水最大流速略大于納米流體，而最大壓力反之。在相同的進(jìn)口流速下，納米流體的進(jìn)出口壓降略大于去離子水，這是由于納米流體的黏度略大于去離子水所致。

波浪；細(xì)通道；流動(dòng)；納米流體

隨著微納米加工技術(shù)的發(fā)展，微型器件不斷涌現(xiàn)。這些微型器件結(jié)構(gòu)緊湊，性能優(yōu)良，極大地推動(dòng)了工業(yè)領(lǐng)域高新技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。然而這些微型器件體積較小，其在工作時(shí)熱量不能及時(shí)耗散，進(jìn)而產(chǎn)生很高的熱流密度。高熱流使得器件的工作穩(wěn)定性不斷下降，嚴(yán)重影響器件的壽命。針對(duì)此問題，Tuckerman[1]提出了一種微細(xì)通道熱沉，其能在較小的傳熱面積上散去大量熱量。由于這種熱沉擁有結(jié)構(gòu)緊湊﹑冷卻工質(zhì)充注量少等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，因此不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，以進(jìn)一步改善微細(xì)通道熱沉的換熱性能。

到目前為止，已有不少學(xué)者通過改進(jìn)通道的結(jié)構(gòu)或使用強(qiáng)化工質(zhì)的方法，來強(qiáng)化微細(xì)通道熱沉的傳熱，如將直微細(xì)通道改進(jìn)為波浪型的微細(xì)通道[3-4]。這種改進(jìn)的通道結(jié)構(gòu)使得流體的流型發(fā)生了變化，改變了流體內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)之間的協(xié)同關(guān)系，進(jìn)而強(qiáng)化了傳熱。由此可見，研究這些改進(jìn)的通道內(nèi)流體的流動(dòng)特性很有必要。納米流體是強(qiáng)化工質(zhì)的一種，是在基液（如乙醇和水）中加入高導(dǎo)熱材料（如金屬及其氧化物）的納米顆粒而制成。納米顆粒的加入改變了基液的物性，使得換熱工質(zhì)在通道內(nèi)的流動(dòng)特性發(fā)生了變化，因此很有必要研究納米流體在微細(xì)通道內(nèi)的流動(dòng)特性。

到目前為止，對(duì)于改進(jìn)的微細(xì)通道內(nèi)納米流體的流動(dòng)特性雖已有一定的研究，但是還不夠，仍需要更多關(guān)于這方面的研究工作。據(jù)此，本文以去離子水及以其為基液的Al2O3納米流體為工質(zhì)，研究它們?cè)诓ɡ诵图?xì)通道熱沉內(nèi)的流動(dòng)特性。具體的內(nèi)容是弄清兩種工質(zhì)在波浪型細(xì)通道內(nèi)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布情況，以及進(jìn)口速度與壓降之間的關(guān)系。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

圖1為波浪型細(xì)通道熱沉示意圖。熱沉由無氧銅制成，寬為30mm，長(zhǎng)為180mm，高為5mm，共有5道細(xì)通道。通道的軸向長(zhǎng)度為140mm，寬為3mm，高為3mm。模型的其它尺寸見圖1。

圖1 波浪型細(xì)通道熱沉示意圖Fig.1 Schematic diagram of wavy minichannel heat sink

1.2 數(shù)值方法

模型采用去離子水及體積分?jǐn)?shù)為1%的水基Al2O3納米流體兩種工質(zhì)。假設(shè)這兩種工質(zhì)在熱沉內(nèi)流動(dòng)為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)，忽略流體的體積力﹑表面力﹑黏性耗散和輻射傳熱的影響，流體的物性參數(shù)與溫度分段呈線性關(guān)系[5]，而固體物性參數(shù)為常數(shù)，則流體域的控制方程組為：

對(duì)于固體域，U=0。因此固體域的傳熱分析僅需要能量方程：

式(1)～(4)中，下標(biāo)f和s分別表示流體和固體。U為流體速度矢量，p為壓力，T為溫度，λs為固體熱導(dǎo)率，μnf﹑ρnf﹑cp,nf﹑ λnf分別為流體相應(yīng)溫度的黏度﹑密度﹑比熱和熱導(dǎo)率。μnf﹑ρnf﹑cp,nf和λnf可由下列計(jì)算式求得[6]：

式(5)～(6)中，φ為體積分?jǐn)?shù)；μbf﹑ρbf﹑cp,bf和λbf分別為基液（去離子水）相對(duì)應(yīng)溫度的黏度﹑密度﹑比熱和熱導(dǎo)率；ρp和cp,p分別為納米顆粒Al2O3的密度和比熱。

熱沉的進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口平均速度為0.05～0.35m·s-1，進(jìn)口溫度為300K。熱沉的出口設(shè)為壓力出口邊界條件，相對(duì)壓力設(shè)為0Pa；熱沉底面設(shè)為恒熱流壁面邊界條件，熱流密度50000 W·m-2。流固接觸面設(shè)為流固耦合交界面邊界條件，其余壁面設(shè)為絕熱壁面。上述控制方程組采用有限體積法離散[7]，并用CFD軟件求解，收斂殘差為 10-5。

2 結(jié)果與討論

2.1 速度場(chǎng)

圖2為進(jìn)口速度為0.3m·s-1時(shí)波浪型細(xì)通道熱沉內(nèi)去離子水和納米流體的速度分布云圖。由圖2可見，進(jìn)口段速度分布比較均勻，然而當(dāng)流體進(jìn)入到細(xì)通道段后流速上升。這是因?yàn)榱黧w從流道截面積較大的入口段進(jìn)入到細(xì)通道段后，流道截面積變小，流速明顯增大，有利于強(qiáng)化傳熱。由圖2還可見，細(xì)通道段流速分布極不均勻，最大流速達(dá)0.7m·s-1左右，最小流速為0m·s-1，這是流體在波浪型細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)不斷改變流動(dòng)方向所致。在波谷處，流體發(fā)生急劇轉(zhuǎn)向，這時(shí)形成滯流區(qū)，此處的流速較低，甚至達(dá)到最小值。在出口段，流速分布不均勻性更為明顯，在各個(gè)細(xì)通道出口對(duì)應(yīng)區(qū)域的流速較大。這是由于流體慣性作用，在細(xì)通道內(nèi)流速較大的流體流出通道后，需持續(xù)發(fā)展一段距離。在通道肋對(duì)應(yīng)區(qū)域流速較小，這是因?yàn)橥ǖ览邔?duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)槲矞u區(qū)，存在旋渦，使得流體易滯流在此區(qū)域。對(duì)比圖2(a)和圖2(b)發(fā)現(xiàn)，去離子水和納米流體的速度分布云圖變化不大，去離子水的最大流速略大于納米流體的速度。這是因?yàn)橛墒?7)可知，納米流體的黏度大于去離子水的黏度，使得納米流體的流阻大于去離子水，流速自然小于去離子水。

圖2 速度分布云圖Fig.2 Velocity contour

2.2 壓力場(chǎng)

圖3為進(jìn)口速度為0.3m·s-1時(shí)波浪型細(xì)通道熱沉內(nèi)去離子水和納米流體的壓力分布云圖。由圖3可見，壓力沿著流體的流動(dòng)方向逐漸減小，這是符合能量守恒定律的。在入口段處，通道肋對(duì)應(yīng)的小區(qū)域壓力較大。這是由于通道肋阻擋了流體的流動(dòng)，使得流速下降，根據(jù)伯努利定理可知，流速變小，壓力自然就變大。由圖3還可見，在出口段壓力出現(xiàn)負(fù)壓，這是由于通道肋對(duì)應(yīng)的尾渦區(qū)存在旋渦，旋渦內(nèi)流體在離心力作用下向四周流動(dòng)，使得旋渦中心區(qū)出現(xiàn)了負(fù)壓。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可發(fā)現(xiàn)，去離子水和納米流體的壓力分布云圖變化不大，去離子水的最大壓力略小于納米流體的壓力，這是納米流體的黏度略大于去離子水所致。

圖3 壓力分布云圖Fig.3 Pressure contour

2.3 壓降

圖4給出了波浪型細(xì)通道熱沉內(nèi)去離子水和納米流體的進(jìn)出口壓降與進(jìn)口速度的關(guān)系。由圖4可見，壓降隨著進(jìn)口速度增大而增大，這是因?yàn)榱魉僭龃筇岣吡肆黧w質(zhì)點(diǎn)與熱沉壁面之間的摩擦，進(jìn)而增大了流阻，壓降自然會(huì)增大。由圖4還可見，納米流體的壓降略大于去離水的壓降，這是納米流體的黏度略大于去離子水所致。這種差別僅在高進(jìn)口流速時(shí)才比較明顯。

圖4 進(jìn)出口壓降與進(jìn)口速度關(guān)系Fig.4 Relationship of Pressure drop and inlet velocity

3 結(jié)論

本文選用去離子水及體積分?jǐn)?shù)為1%的水基Al2O3納米流體兩種工質(zhì)，研究這兩種工質(zhì)在波浪型細(xì)通道熱沉內(nèi)的流動(dòng)特性。得出以下結(jié)論：

1）速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分析表明，工質(zhì)進(jìn)入細(xì)通道段后流速明顯增大，這有利于強(qiáng)化熱沉的傳熱性能。去離子水與納米流體的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)變化不大。去離子水最大流速略大于納米流體，而壓力反之。

2）兩種工質(zhì)的進(jìn)出口壓降均隨進(jìn)口流速的增大而增大。納米流體的壓降略大于去離子水，這是納米流體的黏度略大于去離子水所致。

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Flow Characteristics of Nanofluid in Wavy Minichannel Heat Sink

ZHANG Guorui

(Tianjin Branch, Lianyungang Worleyparsons Engineering Technology Co. Ltd., Tianjin 300201)

In order to examine the fow characteristics of nanofuid in wavy minichannel heat sink, a comparative study on fow characteristics was carried out by numerical simulation method in the wavy minichannel heat sink with deionized water and 1 vol.% nanofuid. The nanofuid was prepared by using Al2O3as nanoparticles and water as base liquid. The results showed that the velocity felds of two working fuids were almost the same, and so did the pressure felds. The maximum velocity of deionized water was slightly larger than that of nanofuid, and while the maximum pressure was inversed. The pressure drop between inlet and outlet of nanofuid was slightly higher that of deionized water at the same inlet velocity. This reason was that the viscosity of nanofuid was larger than that of deionized water.

wavy; minichannel; fow; nanofuid

TK 124

A

1671-9905(2017)04-0036-03

張國(guó)睿，男，注冊(cè)化工工程師，工學(xué)碩士，主要從事于化工設(shè)計(jì)工作。電話：15822957156，E-mail：Gr.zh@qq.com.

2017-02-23