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粗糙度对矩形微通道内层流流动和换热的影响分析

朱玉璞  
【摘要】:对于微通道冷却系统,如何进一步增强其换热性能同时减小压降一直是一个活跃的研究领域。采用具有不同形貌粗糙度的微通道是增强传热能力的有效方式。作为一种无源技术,粗糙度可以增加对流体的扰动,诱发热边界层的破坏和失稳,从而提高热流传递的效率,但同时也会提高流体的压降。所以本文中从传热强化和减小压降两个方面研究粗糙度微通道。本文主要研究层流状态下,三种不同形貌粗糙度微通道内流体的传热和流动特性,通过使用Fluent软件实现仿真计算。本文所取得的主要研究成果为:1.首先根据含粗糙度微通道结构的特点,建立了三维求解模型;接着对三维模型进行了有限元网格划分,并且通过对矩形光滑微通道求解,验证了本文所选取的计算方法的准确性。2.对比了微通道在速度场、压力场和温度场方面分布的不同,重点分析了三种粗糙度微通道的平均努塞尔数Nu、进出口压差?p以及综合传热因子PF随着结构参数变化的趋势,这些参数包括粗糙度的波高h、节距p和雷诺数Re。结果表明:随着波高和雷诺数的增加以及节距的减小,三种微通道的Nu和?p都在增加,但后者增加的幅度更大。3.相同参数条件下,微通道I在三种含粗糙度微通道中Nu和?p都是最大的,且以综合传热因子PF来评价时,微通道I的综合性能也优于微通道II和微通道III,表明微通道I具有更好的换热性能。4.以微通道I为研究对象,基于响应曲面法,以统计设计软件Design-Expert9.0为工具,建立了关于Nu、?p和PF的回归模型。对于微通道I,入口流速对Nu的影响最大,而对?p影响最大的因素是波高,所以选择大流速和小波高的组合可以达到通道的优化目标。综合考虑通道的三个结构参数和入口流速,运用响应曲面法对通道I进行了优化,得到了微通道优化后的参数。


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