微通道強(qiáng)化換熱研究進(jìn)展

孫亞松，劉紅敏

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院,上海 200135)

隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)、微型衛(wèi)星等各種新型微型儀器的發(fā)展，高度集成化導(dǎo)致的散熱問題日益凸顯。微通道換熱器[1]因其重量輕、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)而成為最實(shí)用的選擇。目前，對于微通道散熱的研究主要集中在流動(dòng)工質(zhì)、微道結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面，研究者的研究都被分為三類:實(shí)驗(yàn)研究、分析研究和數(shù)值研究。研究者在不同的工況下，就以上方面和方法對芯片微通道散熱器換熱及流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，在一定程度上改善了芯片的散熱性能，促進(jìn)了電子芯片的進(jìn)一步集成化發(fā)展。

1 納米流體對微通道換熱的影響

納米流體是指粒徑在100 nm以內(nèi)，熱導(dǎo)率比基礎(chǔ)液體高一個(gè)數(shù)量級的液體懸浮液或分散體。它們具有顯著的高導(dǎo)熱系數(shù)和良好的長期穩(wěn)定性和流變性，對傳熱有很大的優(yōu)勢。大量研究顯示納米流體有較好的換熱效果。

周建陽等[2]為了全面研究納米顆粒濃度對納米流體傳熱和壓降的影響，采用超聲振動(dòng)法制備了0.05%～0.4%的均勻穩(wěn)定的Al2O3/R141b納米流體。對微型換熱器進(jìn)行了正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)。同時(shí)，采用多指標(biāo)綜合評價(jià)方法和均勻性方差檢驗(yàn)，綜合評價(jià)了納米顆粒濃度對納米流體流動(dòng)沸騰傳熱和壓降的影響。結(jié)果表明，納米顆粒濃度對Al2O3/R141b的傳熱性能有顯著影響，隨著納米顆粒濃度的增加，其傳熱性能呈非線性?？紤]到納米粒子濃度對傳熱和壓降的影響，采用熵值法得到納米粒子對壓降和傳熱的影響權(quán)重分別為0.715,0.285。基于多指標(biāo)綜合評價(jià)法得出納米流體顆粒濃度為0.2%，其中納米流體的傳熱系數(shù)最佳，壓降最小。

Manay[3]研究了鐵素體基(Fe2O3·NiO)納米流體在多微通道散熱器中的混合對流換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。兩個(gè)矩形交叉切割微通道散熱器有兩個(gè)不同高度H=1,1.8 mm,寬度300 μm。將鐵基納米顆粒以0.25%和0.5%的兩種不同體積比懸浮于純水中，分別對純水和納米流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。放置在散熱器中的筒形加熱器對微通道的底部壁施加恒定的熱流。結(jié)果表明與純水相比，納米顆粒進(jìn)入基體流體進(jìn)一步增加了自然對流效應(yīng)。在相同的格拉曉夫數(shù)值下，H=1.8 mm時(shí)的自然對流換熱效果優(yōu)于H=1 mm 時(shí)的自然對流換熱效果。

王少鋒等[4]通過實(shí)驗(yàn)方法研究了不同比例水基Al2O3和TiO2納米流體在微通道內(nèi)的流動(dòng)換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同混合比例的納米流體換熱效果均強(qiáng)于去離子水。在Re=305時(shí)，相較于去離子水，混合 比 例為1∶1的Al2O3-TiO2復(fù)合納米流體在折線型微通道內(nèi)對流換熱系數(shù)增加了9.0%。

Duangzhongsuk和Wongwises[5]對鋸齒形微通道散熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們研究了流道的鋸齒、雷諾數(shù)和顆粒濃度對努塞爾數(shù)和壓降特性的影響。他們發(fā)現(xiàn)流道的橫切鋸齒對傳熱性能的影響很小。顆粒濃度對傳熱性能有顯著影響，但對壓降無影響。

Mohammed等[6]研究了Al2O3-H2O納米流體在矩形微通道熱沉內(nèi)的換熱。結(jié)果顯示:在最大熱流下，隨納米體積濃度的上升，換熱系數(shù)和壁面切應(yīng)力上升，而熱阻下降。而且在最大熱流下，存在一個(gè)最佳納米顆粒體積分?jǐn)?shù)，從而使得換熱系數(shù)達(dá)到最大，而壓降略有上升。

Saeed等[7]利用兩種不同體積濃度的納米流體和蒸餾水制備了三種不同通道結(jié)構(gòu)的散熱器，并對其傳熱特性進(jìn)行了測試。研究了通道結(jié)構(gòu)、冷卻劑流量和體積濃度對對流換熱系數(shù)、基體溫度、熱阻和換熱強(qiáng)化比的影響。此外，采用單相和兩相模型對四種不同通道結(jié)構(gòu)的微通道散熱器的熱性能和水力性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。將單相和兩相模型對流換熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，與蒸餾水相比，納米流體顯著提高了微通道散熱器的熱性能。翅片間距分別為1.5,1.0,0.5 mm的散熱器對流換熱系數(shù)分別提高了24.9%,27.6%,31.1%。兩相混合模型的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ臀呛陷^好，而單相數(shù)值模型在對流換熱系數(shù)預(yù)測值以下。

Hedayati等[8]研究了氧化鋁/水納米流體在平行板微通道內(nèi)的完全發(fā)展的強(qiáng)制對流，納米顆粒的體積濃度范圍為2%～6%。他們發(fā)現(xiàn)，不均勻的納米顆粒分布使得速度隨著較高的熱流密度向壁面移動(dòng)，并提高那里的傳熱速率。此外，在微通道壁面上存在滑移速度時(shí)，納米流體的優(yōu)勢得到了增強(qiáng)。

Sohel等[9]研究分析了納米流體(分散在水和乙二醇中的銅和氧化鋁)通過圓形微通道和小通道散熱器集中熵產(chǎn)生的控制方程。結(jié)果顯示，在納米顆粒的6%體積分?jǐn)?shù)下，納米流體的流體摩擦熵生成率分別為38%和35%。在納米流體中，較小的納米顆粒直徑有較少的熵產(chǎn)生。

2 結(jié)構(gòu)對微通道換熱的影響

微通道內(nèi)幾何結(jié)構(gòu)的調(diào)整會(huì)對換熱造成較大影響。調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)換熱的目的是激發(fā)微通道內(nèi)的混沌平流，最大限度地?cái)U(kuò)大冷熱流體之間的接觸面積，提高冷卻劑的電導(dǎo)率等，以促進(jìn)傳導(dǎo)和對流換熱[10]。

Xi等[11]用乙二醇，乙烯研究了不同截面積的矩形旋轉(zhuǎn)微通道的流動(dòng)換熱特性。微通道的水力直徑為 0.3～0.8 mm。結(jié)論顯示:旋轉(zhuǎn)微通道內(nèi)，換熱系數(shù)比傳統(tǒng)的豎直微通道提高了50% 。而由于使用了螺旋型的結(jié)構(gòu)，使得以往用于預(yù)測換熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式均無法使用。

Chai等[12]用模擬研究了微通道中扇形孔洞對流動(dòng)的影響。結(jié)果顯示:由于增加的換熱表面的作用，提高了換熱性能，同時(shí)周期性的熱發(fā)展也提高了換熱性能，而噴射和節(jié)流作用也增加了壓降。而在孔洞上的滑移減少了壓降，但是也減少了換熱。

Tan等[13]研究了微通道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對芯片冷卻傳熱性能的影響。首先，設(shè)計(jì)了4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括三葉脈、側(cè)葉脈、雪花狀和蛛網(wǎng)狀。然后采用流體-熱耦合數(shù)值模擬的方法，結(jié)果表明，在這些結(jié)構(gòu)中，蛛網(wǎng)微通道的傳熱性能最好。進(jìn)一步優(yōu)化了蛛網(wǎng)微通道的幾何參數(shù)。最后，利用3D打印技術(shù)制作了直線微通道和蛛網(wǎng)微通道，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蜘蛛網(wǎng)微通道的傳熱性能優(yōu)于直道，在100 W/cm2的熱流中，最大熱源溫度差達(dá)到9.9度。驗(yàn)證了微通道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對其傳熱性能有重要影響，尤其是在高熱流密度下。

Ghahremannezhad等[14]綜合分析了多孔襯底對雙層微通道散熱器熱性能和水力性能的影響。對多孔雙層微通道散熱器的熱阻和泵浦功率進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)微通道散熱器相比，多孔雙層微通道散熱器在需要更低泵浦功率的情況下，能夠改善傳熱。通過建立多孔微通道散熱器的三維模型，對其頂部和底部具有不同厚度的固體和多孔翅片，對耦合傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，對于雙層微通道散熱器的每一組幾何參數(shù)組合，都能找到一種優(yōu)化的多孔雙層微通道散熱器，提高其熱性能和水力性能。在不同雷諾數(shù)、基體孔隙率和吸熱材料的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了多孔雙層微通道的優(yōu)越性能。

Bayrak等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，局部通道修正可以保證沿中線流動(dòng)與近壁區(qū)域的流體混合。因此，與無腔肋微通道散熱器相比，這種情況大大提高了微通道散熱器的傳熱性能。然而，旋渦明顯發(fā)生在空腔內(nèi)。雖然這一現(xiàn)象有利于對稱腔肋的傳熱增強(qiáng)，但對于非對稱腔肋由于再循環(huán)區(qū)域密集，其傳熱增強(qiáng)效果相反。結(jié)果表明，由于對稱腔肋具有明顯的射流節(jié)流效應(yīng)和方便的縱向和橫向渦，其熱性能最好，因此非對稱空腔是基線壁面上的最佳均勻溫度分布。

Hajmohammadi等[16]研究了微流體對微通道散熱器傳熱強(qiáng)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響。通過假設(shè)滑移邊界條件，給出微尺度通道散熱器的最優(yōu)幾何結(jié)構(gòu)。對微通道散熱器內(nèi)部的三維流體流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，將滑移邊界條件下的優(yōu)化結(jié)果(最優(yōu)幾何參數(shù)和最小熱阻)與無滑移條件下的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了比較。與無滑移邊界條件相比，滑移極大地降低了微通道的最小熱阻，改變了微通道的最優(yōu)數(shù)目和最優(yōu)展弦比等幾何設(shè)計(jì)點(diǎn)。

Gouda等[17]通過實(shí)驗(yàn)研究了分段翅片微通道結(jié)構(gòu)表面的池沸騰傳熱特性，并與均勻截面微通道結(jié)構(gòu)表面和平面進(jìn)行了性能比較。結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)表面的傳熱性能均優(yōu)于平面。經(jīng)觀察，分段翅片結(jié)構(gòu)表面的換熱系數(shù)提高了3倍，而均勻結(jié)構(gòu)表面的換熱系數(shù)提高了2倍。因此，與其他兩種表面相比，分段翅片微通道結(jié)構(gòu)具有更好的傳熱性能。分段翅片構(gòu)型熱傳遞改善的原因可能是活化成核位點(diǎn)較多，再潤濕現(xiàn)象較好，氣泡生長和釋放機(jī)制較好。

徐國強(qiáng)等[18]提出了新型的Y形構(gòu)微通道換熱器，研究了Y形構(gòu)幾何參數(shù)對換熱效果的影響。結(jié)果顯示,換熱器溫度場隨Y形換熱器角度增大而變的均勻，并且在角度為60°時(shí)有最佳的換熱性能。

龔亞等[19]以超臨界二氧化碳為工質(zhì)，通過模擬的方法研究了箭魚形翅片換熱器的翅片設(shè)計(jì)對換熱效果的影響。結(jié)果表明，箭魚形與折線形相比，雷諾數(shù)越大其換熱效率越好。箭魚形換熱器的沿程阻力有顯著減小，并且給出了最佳換熱效果的翅片排列。

總的來說，這些結(jié)構(gòu)的傳熱均得到了增強(qiáng)。然而，對于每種類型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有必要考慮形狀、尺寸以及密度對傳熱的影響，以找到最佳設(shè)計(jì)。此外，由于現(xiàn)有的研究通常集中在單一類型的結(jié)構(gòu)上，因此很難確定哪一種結(jié)構(gòu)是最佳的。對不同結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的研究和比較，對工業(yè)應(yīng)用具有更重要意義。

3 總結(jié)

微通道換熱器具有潛在的應(yīng)用前景，在過去的幾十年里，人們對納米流體和結(jié)構(gòu)增強(qiáng)傳熱的方法進(jìn)行了大量的研究。結(jié)論如下：

(1)納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)取決于納米顆粒的直徑、材料、體積分?jǐn)?shù)和體積溫度等多種因素。通常，通過納米流體增加冷卻劑的導(dǎo)熱系數(shù)有助于提高傳熱系數(shù)(h)。但是，在微通道中處理納米顆粒時(shí)，也存在著一些問題，如粘附性、輸運(yùn)行為和顆粒吸附等，這些都是其應(yīng)用中需要解決的問題。

(2)微結(jié)構(gòu)下流體工質(zhì)在微通道換熱微槽道內(nèi)的流動(dòng)阻力和換熱特性在大多數(shù)情況下和常規(guī)槽道存在差異性。除此之外，對于微通道截面形狀、結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化分析也沒有統(tǒng)一的結(jié)論。