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《重庆大学》 2002年
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速度滑移及温度跳跃区微尺度通道内的流动与换热

朱恂  
【摘要】: 目前,微加工技术、微型加热/冷却设备、微型电子与通讯设备等高新技术正在快速发展,尺寸为微米级的设备已在微电子机械系统、高集成度电子器件、微机电系统、微型器械等诸多领域开始应用,并表现出非常乐观的应用前景,这使得微细空间尺度内流动与传热过程的研究成为当前的热点,深入研究微尺度的传输特性将为这些现代高新技术的应用和发展奠定基础,具有重要的工程价值和学术意义。 本文针对理想、定物性及不可压缩流体,采用Navier-Stokes动量方程及能量方程与由分子动力论导出的速度滑移和温度跳跃边界条件相结合的滑移模型,首次对速度滑移和温度跳跃区微小间距平行平板槽道、微环缝槽道、微矩形槽道、微三角形槽道及任意截面形状微槽道内,多种不同滑移边界条件及多种不同加热边界条件下的滑移流动阻力和对流换热特性进行了理论分析和求解,获得了相关的流阻和换热的关联式和数据图表,并与相关实验数据进行了比较;设计了应用于工程实际的集成电子组件微槽散热器;最后以水和乙二醇水溶液为工质对宽度为0.4mm、高度为2mm、长度为20mm的微槽道构成的微槽散热器进行了流阻和换热的实验研究。 1. 首次对两侧非对称定热流密度加热、非对称等壁温加热条件下的微小间距平行平板槽道内的滑移流动及换热特性进行了理论分析,获得了流动阻力与换热关系式。计算结果表明:壁面的速度滑移使流动阻力随Kn数的增加而减小。单侧加热时,换热系数比随热协调系数的减小而显著减小。两侧非对称加热条件下,换热修正系数比随Kn数增大及热协调系数的减小而减小,动量协调系数的作用则相反;相同Kn数下,热流密度比增大,使下侧加热板的换热系数比增大; 而上侧加热板的却减小。 2. 首次对两侧非对称等热流密度加热、非对称等壁温加热条件下的微环缝槽道内的滑移流动及换热特性进行了理论分析和求解,获得了流动阻力和换热关系式及图表。计算结果表明:微环缝槽道内的摩阻系数随Kn数的增加而减小;单环加热时,换热系数随内外径比的变化随Kn数的增加而下移;相同内外径比下,随Kn数的增加,内环换热系数的减小程度大于外环的换热系数的减小程度。两侧非对称加热时,内环的换热系数比随Kn数的增加而减小的幅度随内外径比的增加而减小、随热流密度比的减小而加大;外环的换热系数比的变化趋势则相反。 WP=5 3. 首次采用正交函数法对任意截面形状微槽道内的滑移流动特性进行了理论分析和计算,讨论了一阶滑移、二阶滑移以及带热蠕流的一阶滑移等边界条件对滑移流动的影响。以微矩形槽道和微三角形槽道为例进行了求解,获得了流阻的计算关联式,并与相关实验结果进行了比较。结果表明:微槽内的流动阻力随Kn数的增加而下降,而流体流量有所增加。考虑了一阶滑移边界条件修正后,微矩形槽道内流动阻力的计算值比非滑移模型接近实验结果。考虑二阶滑移边界条件修正时,流动阻力系数比一阶滑移模型略大,其差值随Kn数的增加而增大。但无量纲阻力系数比一阶滑移模型更接近实验结果。热蠕流边界条件对微槽内流动阻力影响,只有在较大的温度梯度时才明显。 4. 首次采用正交函数法对任意截面形状微槽道内轴向定热流密度加热、周向任意壁面温度分布条件下的对流换热特性进行了理论分析,并以微矩形槽道和微三角形槽道为例,对3~4种不同周向加热边界条件下的换热特性进行了求解分析,得到了相应的计算结果。结果表明:对微矩形槽道,高宽比越小,数随Kn数增加而下降越大。数随动量协调系数增大而减小,随热协调系数增大而增大。相同高宽比和Kn数下,单边加热条件下的换热性能相比同条件的常规大槽道下降最小;而上下两边加热条件下的换热性能相比大槽道下降最大。对微三角形槽道,随高宽比的分布曲线随Kn数的增加而平行下移;周向均匀等壁温加热时,不同高宽比下的下降幅度相近;两斜边加热时,高宽比越大,下降幅度越大;单独底边加热时,降低的幅度呈现出两端小、中间高的趋势。不同的加热边界条件对微正三角形槽道中换热系数比的影响相差不大。 5. 针对雷达控制系统中的集成电子组件的散热问题设计了液冷微槽散热器,设计结果到技术指标要求。首次以乙二醇水溶液为工质进行了微散热器内的流阻和换热实验,获得了工程适用的微槽散热器流动阻力系数实验关联式和对流换热实验关联式,为电子组件散热器的设计计算提供了依据。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TK124

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【引证文献】
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【参考文献】
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10 李云开;滴头分形流道设计及其流动特性的试验研究与数值模拟[D];中国农业大学;2005年
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7 王福宝;多结构百叶窗翅片在平行流冷凝器应用中的性能模拟研究[D];华中科技大学;2009年
8 刘明艳;微小通道与射流相结合的高热流密度热沉结构的数值模拟[D];清华大学;2010年
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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7 朱林;硅基微尺度燃烧器燃烧特性与结构失效的研究[D];中国科学技术大学;2008年
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【相似文献】
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1 王灿;杨爱玲;陈康民;;二维微槽道内的流动模拟[J];上海理工大学学报;2006年02期
2 肖睿,辛明道;边界条件对滑移区气体微槽流动和传热的影响[J];西安交通大学学报;2001年10期
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8 李志辉;张涵信;符松;;Boltzmann模型方程数值算法对Poiseuille等微槽道流计算验证[A];计算流体力学研究进展——第十二届全国计算流体力学会议论文集[C];2004年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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5 刘超峰;微气体表面粗糙效应的格子Boltzmann模拟[D];复旦大学;2008年
6 王建敏;超精密气体静压轴系部分关键技术研究[D];国防科学技术大学;2007年
7 谢宁宁;喷雾冷却及其换热强化的实验与理论研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2012年
8 包福兵;微纳尺度气体流动和传热的Burnett方程研究[D];浙江大学;2008年
9 田智威;气体微尺度流动和传热特性的格子Boltzmann模拟研究[D];华中科技大学;2007年
10 陈小燕;纳米通道内流体的分子动力学研究[D];中国科学技术大学;2008年
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1 吴越;用于大功率LED冷却的微槽群相变换热技术的理论与实验研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2010年
2 唐吉仁;不等宽微槽道平板热管的研制[D];大连理工大学;2010年
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5 张林波;用于微纳卫星高热流密度器件的微槽热沉性能分析与优化[D];哈尔滨工业大学;2011年
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7 唐杨;微槽道中磁流体的CHF特性研究[D];华南理工大学;2011年
8 侯永发;微尺度流动与传热特性分析及层板发汗单元温度场的计算[D];国防科学技术大学;2011年
9 钟艳;微槽道两相流传热特性研究[D];华南理工大学;2012年
10 王维;微槽道饱和沸腾CHF特性及可视化研究[D];华南理工大学;2012年
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