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(jì)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(dòng)阻力也相對(duì)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(dòng)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(dòng)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(gè)微圓柱組成，流體通過微柱群為流體繞流多個(gè)微圓柱的過程。圓柱繞流是流體力學(xué)中一個(gè)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(duì)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(cè)速儀(LDV)以及粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)等。其中，PIV是一種瞬態(tài)、非接觸式、整場(chǎng)定量測(cè)速技術(shù)，非常適用于流場(chǎng)測(cè)量。由于圓柱繞流問題的復(fù)雜性，研究者針對(duì)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(cè)量了單圓柱繞流流場(chǎng)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(duì)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(duì)尾流結(jié)構(gòu)的影響。Williamson等[7-8]總結(jié)了靜止和振動(dòng)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(shí)流體繞流直徑為22 mm的單圓柱的速度場(chǎng)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(chǎng)的渦量、雷諾應(yīng)力以及湍動(dòng)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(duì)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(chǎng)更加復(fù)雜。陳波等[11-12]對(duì)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(duì)繞流流場(chǎng)及渦脫落具有顯著影響。Ozturk等[3]采用PIV技術(shù)對(duì)管板式換熱器中直徑為50 mm的錯(cuò)排圓柱群通道內(nèi)的流動(dòng)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(dòng)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(duì)微柱群通道內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行了研究[15-16]，得到了不同Re下的流動(dòng)阻力，然而，微柱群內(nèi)部的流動(dòng)特征仍不清楚。本文利用Micro-PIV流場(chǎng)測(cè)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(chǎng)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(cè)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(duì)微柱群內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試原理如圖1所示。所測(cè)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(cè)流場(chǎng)，CCD相機(jī)同步記錄前后時(shí)刻的粒子位移，通過計(jì)算粒子位移和時(shí)間間隔，可以計(jì)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(guó)TSI)、CCD相機(jī)(PowerView Plus，美國(guó)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(zhǎng)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(chǎng)測(cè)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(gè)微米。而粒子尺寸越小，其布朗運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(cuò)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(cuò)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(cè)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(huì)有少量流體通過，對(duì)繞流流場(chǎng)產(chǎn)生一定影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)圖像觀察，選取密封較好的流場(chǎng)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(duì)不同Re下微柱群的繞流流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)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(jì)算得到：

(1)

圖3 Re=200的微柱群通道內(nèi)的速度場(chǎng)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(jì)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(chǎng)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

圖3為Re=200時(shí)微柱群通道內(nèi)部分區(qū)域的速度場(chǎng)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(shí)，會(huì)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(jí)，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(chǎng)結(jié)構(gòu)，我們做出了不同Re下的時(shí)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(shí)，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(shí)候圓柱尾部出現(xiàn)了基本對(duì)稱的渦結(jié)構(gòu)，隨著Re的進(jìn)一步增加，當(dāng)Re≥300時(shí)，微圓柱體尾部出現(xiàn)了2個(gè)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(zhǎng)度L隨Re的變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，回流長(zhǎng)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(dòng)能越大，向下游流動(dòng)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(zhǎng)度增加。

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

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在本研究范圍內(nèi)，當(dāng)Re>100時(shí)，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(shí)形成基本對(duì)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(gè)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(duì)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(duì)稱的影響，微柱群內(nèi)微圓柱繞流尾跡具有不對(duì)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(dòng)能增大，微圓柱體尾部回流長(zhǎng)度增加。