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银纳米流体热物性及其在微针肋热沉中强化传热研究

周明正  
【摘要】:随着科技的发展,各种电子器件集成化程度越来越高,使得单位面积的热流量不断增加。对热交换系统的高效低阻紧凑等性能指标的要求也越来越高,对强化传热技术提出了新的更高的要求。为了解决这一问题,一方面可以通过研制体积小、重量轻、传热性能好的高效紧凑式热交换设备,满足高负荷传热要求。微针肋热沉就是其中的一种,实践证明这种微尺度对流换热对微电子设备的热控制非常有效;另一方面,由于一些热交换系统特殊结构的限制和高负荷传热强度的要求,传统的纯液体换热工质(如水、油、醇等)已很难满足一些特殊条件下的传热与冷却要求,低导热系数的换热工质己成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍,而纳米流体的引入使得这一方法有了突破性的发展。 本文采用理论与实验相结合的方法,综合纳米流体与微针肋热沉两种强化传热手段,优化设计出结构更合理的“水滴”型微针肋热沉,对纳米流体制备、热物性测量分析及其在微针肋热沉中的流动换热特性进行了深入研究,为开发高效微型换热器提供了基础数据。主要包括以下几个方面内容: 首次将采用“一步”超声膜扩散法制备的银纳米流体运用于强化传热领域,对其导热系数和粘度进行了测量分析。并分析表面活性剂对基液及纳米流体导热系数、粘度的影响。采用超声膜扩散的方法,在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活性剂的条件下,一步制备出水基银纳米流体,所得银纳米颗粒粒径范围窄(3-7nm),平均粒径小(4.8nm)。表面活性剂的添加可提高纳米流体的稳定性,但表面活性剂的种类及特性对纳米流体及基液的热物性具有很重要的影响。实验考察了表面活性剂种类和质量分数、温度及pH值等因素对基液及纳米流体导热系数和粘度的影响。分析表明:随着表面活性剂的加入会明显改变基液的导热系数,但添加量达到一定值后的基液导热系数趋于恒定。与非离子型表面活性剂相比,离子型表面活性剂对温度更加敏感。随着温度的增加,离子型表面活性剂溶液的导热系数逐渐与水接近。强酸性或者强碱性条件都不利于导热系数的提高。当非离子型表面活性剂(PVP)的质量分数为4.0%时,其溶液的粘度可达到水的两倍,而离子型表面活性剂对基液粘度的影响则较小。 对比分析了纳米流体导热系数预测模型及与实验值的关系,并通过实验研究了纳米流体导热系数的影响因素。传统两相宏观模型由于没有考虑颗粒尺寸效应,难以预测纳米流体的导热系数值。与毫米及微米级粒子悬浮液相比,纳米流体导热系数需要充分考虑纳米粒子由于尺度减小带来的与液体接触面积的扩大、粒子表面对液体分子的吸附以及布朗运动引起的微运动、微扩散、微对流等因素。随着纳米粒子体积分数的增加,纳米流体的导热系数迅速增加,尤其是在较高体积分数下。当体积分数达到0.012%时,纳米流体导热系数比率可达1.15。随着温度的升高,纳米流体的导热系数升高较为明显,且随着粒径的减小,布朗作用的影响越来越大。 通过在圆形微针肋的基础上创造性的添加一个相切的三角形形成新型的“水滴”型微针肋热沉,并优化了结构参数。采用数值模拟与实验相结合的方式,以去离子水为工质,研究了流体横掠“水滴”型微针肋时流动和传热特性。适当的“水滴”型针肋结构,可以避免针肋尾部涡脱落造成的阻力损耗;将针肋尾部对流换热较弱的区域由固体导热代替,同时将换热表面向流体主流区拓展,从而达到强化传热的效果。分析结果表明:本文所研究的“水滴”型针肋中,对应Re下,尾角α=60°时减压效果最好。“水滴”型针肋的流线型结构可以改善尾部流动分布,推迟流动由层流向过度区流的转变,且尾角α越小效果越明显。对热沉强化传热研究表明,不同流量下“水滴”型针肋的最优尾角α有所不同,随着流量的的增加最优角有减小的趋势,但在目前Re范围内α=60°的“水滴”型针肋热沉强化传热效果最好。 设计搭建了纳米流体横掠微针肋热沉及浸没射流冲击热沉实验台,首次将纳米流体与微针肋热沉这两种强化传热手段相结合,分析了两种实验方式下银纳米流体流动及强化传热特性。纳米流体在“水滴”型微针肋热沉中的流动换热特性表明:不同体积分数下纳米流体压降差别很小;表面活性剂的加入引起流体粘度的增加,而流体粘性的提高会加剧针肋尾部边界层的分离及涡的脱落,进而增加流体流动过程中的压降。纳米粒子的存在对换热性能有明显提高,但过高的粘度对纳米流体的强化传热效果有一定的抑制作用。与去离子水相比,当银粒子体积分数达到0.012%后,纳米流体的综合效果才体现出来。对银纳米流体浸没阵列射流冲击针肋热沉的研究表明:相同射流速度下,与基液(水+表面活性剂)相比,银粒子体积分数分别为0.0019%、0.0077%、0.012%的纳米流体传热系数分别提高6.23%、9.24%、17.53%;与纯水相比,银粒子体积分数为0.12%时,纳米流体传热系数增加6.61%。纳米流体对流传热系数的增加除了由于热导率增加产生的效果外,银纳米粒子布朗运动引起的微运动、微扩散及微对流等也起了重要作用。


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