模块式微热光电系统冷却通道内流动换热特性研究
近年来，微机电系统(MEMS)发展迅速，模块式微热光电系统凭借结构简单、能量转换效率高、便于装配等特点越发引起人们的关注。然而，其内部核心部件之一热光伏电池的散热问题一直制约着它的发展。本课题选用微通道散热器对其进行冷却。但是微尺度下流体流动换热机理尚不明确。本文对微通道内流动换热特性进行数值模拟计算和分析，探索微通道内换热机理。本研究为新型微热光电系统的设计和优化提供理论依据，具有重要现实意义。 以矩形微通道为研究对象，利用UDF自定义函数实现微通道内流体物性随温度改变和不均匀热边界条件，建立了基于表面粗糙单元形状的PML模型，研究表面粗糙度、温粘关系等微尺度效应对微通道流动和换热的影响。结果分析表明:(1)壁面粗糙度对微通道内流动换热影响很大，假设壁面光滑已无法真实模拟微通道内的流动换热。当Re=100，De=0.2mm，相对粗糙度ε/H≥1％的微通道不能忽略粗糙度的影响。(2)流体粘度随温度变化对流动泊肃叶数Po的影响不能忽略，温度升高后，粘度减小，导致流动泊肃叶数沿轴向减小。粘性耗散作用对入口处附近传热的影响不能忽略。(3)相同条件下，非均匀热流密度时微通道充分发展段泊肃叶数Po和努赛尔数Nu，均与均匀热流密度下的模拟结果相差约12％。因此，在建立微通道数值模型时，应考虑以上几点因素的影响。 基于连续介质的方法建立了微通道内单相流动换热数值模型，通过与相同模型的实验结果比较，验证了模型的准确性。讨论了壁面厚度、截面宽高比、当量直径、和Re数等因素对通道流动换热的影响，比较了不同形状通道的流动和传热的优劣。研究发现:在一定范围内增加微通道散热器受热壁面的厚度可提高温度均匀性。微通道的换热系数随着截面宽高比的增大而减弱，入口流速增大能提高通道散热性能和减小流动阻力。通道当量直径与流动阻力系数成反比。与矩形和棒束状微冷却通道相比，圆形冷却通道的微热光电系统热效率最高。 选用VOF模型模拟了微通道内气液两相沸腾流动换热。利用UDF实现了工质相变、沸腾段对流换热关联式的导入和表面张力的设置。结果验证了其他学者发现的流型:泡状流和段塞流:在冷却工质沸腾初期，流动换热以泡状流为主，而气泡聚集增大到一定程度时，流型变为段塞流。增大壁面热密度和较小通道入口流速均能使沸腾起始点提前。在从单相对流区域到两相流动区的过渡过程中，沿壁面的换热系数呈明显增加趋势。而且，减小截面宽高比可以有效提高两相流动的换热效率。
微冷却通道;微尺度效应;数值模拟;流动换热特性
江苏大学
硕士
热能工程
吴鸽平
2014
中文
TP271.4
72
2014-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）