带次流道的波状细通道热沉流动特性研究

林清宇，朱礼，孙瑞娟，冯振飞，刘鹏辉，何荣伟

（1.广西大学化学化工学院广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，南宁530004；2.沧州职业技术学院，河北沧州061000）

带次流道的波状细通道热沉流动特性研究

林清宇1，朱礼1，孙瑞娟2，冯振飞1，刘鹏辉1，何荣伟1

（1.广西大学化学化工学院广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，南宁530004；2.沧州职业技术学院，河北沧州061000）

为探究次流道对细通道热沉流动性能的影响，使用CFD软件对有无次流道的细通道热沉进行数值模拟，分析表明，通过三种不同结构形状的细通道热沉流动特性的研究，说明结构变化后细通道热沉的流动性能减弱，在通道内流体的流动的情况下必然损耗泵的功能。细通道同弯曲部分的流体会产生速度偏移，次流能影响相邻细通道内流体的流动特性。

细通道热沉；数值模拟；次流道

0　引言

自Tuckerman等[1]首次提出微通道热沉，便吸引了大量国内外学者的关注。研究平直微通道热沉的传热和流动特性，发现微细通道热沉能有效进行散热[2-3]。有的研究者期望改进微细通道的结构形式以提高传热能力[4-5]。微细通道内流体流动状态的变化对换热性能有显著影响。最常用的改变流动状态以达到强化传热手段是破坏流体流动的边界层。

已有研究表明弯曲通道内由弯曲部分和离心力的综合作用引起的二次流能提高传热系数[6-7]。Fan等[8]研究了有次流道的斜翅片细通道换热器内流体的流动特性。将弯曲结构应用到细通道热沉并基于锯齿状细通道热沉进行优化，提出一种波状细通道热沉，并将次流道应用于波状细通道热沉中。对有无次流道的波状细通道和常规直细通道热沉进行数值模拟研究，并对比分析了3种细通道热沉的流动特性。

1　模型描述

1.1几何模型

3种细通道热沉的材料均选用铜，三维模型采用一般CAD软件建立。图1为3种细通道热沉的尺寸结构图，（a）是常规直细通道热沉CMS（conven⁃tional mini-channel heat sink）；（b）是波状细通道热沉WMS（wave mini-channel heat sink）；（c）是带次流道的波状细通道热沉WMS-S（wave mini-channel heat sink with secondary passages）。3种热沉细通道的截面均为3 mm×3 mm。在WMS的间壁上开截面尺寸为1 mm×1 mm的次流道制成WMS-S。

图1　3种细通道热沉的尺寸结构图

1.2计算模型及边界条件

对数值运算时的流体作出假设：流体是稳态不可压缩层流流体；忽略流体的体积力、表面力、黏性耗散和辐射传热；流体的物性参数为常数。得到简化控制方程式（1）：

式中：u、v、w分别为x、y、z的速度分量；ϕ=1时，表示连续方程；ϕ=u、v和w时，表示动量方程；ϕ=T时，表示能量方程；Γϕ为通用耗散系数；Sϕ在不同方程中表示不同源项；ρ为密度，kg/m3。

热沉的进口为进口速度边界条件，速度v=0.05～0.6 m/s，入口温度恒为300 K；热沉的出口设为压力边界条件，出口相对压力设为0；热沉底面设为恒热流边界条件，热流密度为5×104W/m2；其他壁面均为绝热面。采用商用CFD软件对上述方程进行求解，收敛系数为1×10-6。

1.3数学模型

非圆管水力直径Dh的定义如式（2）：

式中：w表示截面宽，m；h表示截面高，m。

定义Re数（Reynolds number）如式（3）：

式中：vm为流体的平均速度，m/s；μ为动力黏度，Pa·s；f为流体。

表面摩擦系数f计算如式（4）：

式中：△p为进出口压降，Pa；Lc表示通道长，m。

2　网格及数值方法检验

2.1网格独立性检验

为保证计算精度和缩短计算时间，对CMS的网格独立性进行了验证。对进口流速为0.2 m/s的网格数级别为粗糙级别（120万）、精细级别（270万）和最精细级别（430万）的CMS进行数值模拟计算。将粗糙和精细级别网格数的CMS的进出口压降与最精细级别网格数进行对比得到误差为6.7%和1.3%。可见精细级别的网格已满足要求，因此热沉计算模型的网格数均选用精细级别。

2.2数值方法有效性检验

采用文献[9]中的摩擦系数公式进行了数值方法有效性验证如式（5）～（7）：

式中：a=w/h表示细通道截面宽高比。

选用CMS进行数值方法有效性验证，数值模拟和式（5）计算出的摩擦系数对比如图2所示。可看出数值模拟计算出的表面摩擦系数与式（5）的计算结果吻合度较高，因此CMS采用的数值方法是有效的。3种细通道热沉采用同样的数值模拟方法，因此数值模拟方法是有效的。

图2　CMS的摩擦系数验证曲线图

3　结果与讨论

图3为三种细通道热沉的摩擦系数f随进口流体Re数的变化。可以看出，随着进口流体Re数的增加，3种细通道热沉的f均减小。WMS和WMS-S的表面摩擦系数f高于CMS，说明结构变化后的细通道热沉的流动性能减弱，在通道内流体的流动情况下必然损耗泵功能，对比WMS和WMS-S的表面摩擦系数f，发现两者机会没有差别，说明次流道的存在并有减弱波状细通道的流动性能。

图3　3种热沉的f随进口流体Re数的变化曲线图

为了进一步探明次流道对波状细通道热沉流动特性的影响，取进口速度v=0.6 m/s时，WMS和WMS-S两种细通道热沉中间横截面出流体域的速度云图，如图4所示。可以看出，细通道内的流体产生了不同程度的速度偏移，即流体的流动被破坏，导致其紊乱程度增加。WMS-S次流内的流体速度几乎没有变化，说明次流道内的流体没有有效的参与到流体的流动中来形成流动死区。对比WMS和WMS-S同一细通道内流体的流动可发现，次流道的流体会对相邻两个通道内流体的速度造成影响，一定程度上改变着细通道内流体的流动状态。

图4　2种热沉速度云图

4　结论

通过对比分析了3种不同结构形状的细通道热沉流动特性，得到结论，WMS和WMS-S的摩擦系数f比CMS提高很多，而WMS和WMS-S相差不大。细通道内弯曲部分的流体会产生速度偏移，次流道能影响相邻细通道内流体的流动特性。

[1]Tuckerman DB，Pease RF W.High-performance heatsinking for VLSI[J].IEEE Electron device letters，1981，2（5）：126-129.

[2]Wu H Y，Cheng P.Friction factors in smooth trapezoidal sili⁃con microchannels with different aspect ratios[J].Internation⁃al Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46（14）:2519-2525.

[3]Wu H Y，Cheng P.An experimental study of convective heat transfer in silicon microchannels with different surface condi⁃tions[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46（14）:2547-2556.

[4]夏国栋，柴磊，齐景智.梯形硅基微通道热沉流体流动与传热特性研究[J].北京工业大学学报，2011，37（7）:1079-1084.

[5]唐慧敏，吴慧英，吴信宇.锯齿形硅基微通道内流动与换热特性实验[J].航空动力学报，2010，25（6）:1264-1270.

[6]Akhavan-BehabadiMA，Pakdaman MF，GhazviniM.Experi⁃mentalinvestigation on the convective heattransferofnanoflu⁃id flow inside vertical helically coiled tubes under uniform wall temperature condition[J].International Communications in Heatand Mass Transfer，2012，39（4）：556-564.

[7]冯振飞，何荣伟，朱礼.周向平行细通道夹套的换热特性[J].过程工程学报，2015，15（6）:901-908.

[8]Fan Y，Lee P S，Jin L W，et al.Experimental investigation on heat transfer and pressure drop of a novel cylindrical oblique fin heat sink[J].International Journal of Thermal Sciences，2014，76：1-10.

[9]Xia G，Chai L，Wang H，et al.Optimum thermal design of mi⁃crochannel heat sink with triangular reentrant cavities[J].Ap⁃plied ThermalEngineering，2011，31（6）：1208-1219.

FLOW CHARACTERISTICS OF WAVE MINI-CHANNEL HEAT SINK WITH SECONDARY PASSAGES

LIN Qing-yu1，ZHU Li1，SUN Rui-juan2，FENG Zhen-fei1，LIU Peng-hui1，HE Rong-wei1
（1.Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Vocational and Technical College of Cangzhou，Cangzhou Hebei 016000，China）

CFD software is used to investigate secondary passages for the effect on fluid flow mini-channel heat sinks.Through research on characteristics of mini-channnel heat sink of three different structures，we conclude that properties of mini-channel heat sink decrease with changes on structure，thus consumption occurs while flowing happans.The twist parts on mini-channel causes velocity shifts，flow characteristics of fluid in adjacent channels can be influenced by secondary flow.

mini-channel heat sink；numerical simulation；secondary passage

TK124

A

1006-7086（2016）05-0275-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.006

2016-05-24

广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室基金（2105Z012）

林清宇（1969-），女，福建福州人，教授，主要从事换热过程装备技术。E-mail：lingy121@gxu.edu.cn。