基于纳米流体的微通道热沉数值分析

湖北工程学院物理与电子信息工程学院 张 静

0 引言

纳米流是一种基于纳米粒子的新型的冷却流体工质，其基本原理是将金属粒子或金属氧化物粒子(纳米量级)与基本冷却通过各种工艺安比例混合，使其成为具有较高导热系数同时性能稳定的冷却流体工质。目前，学术界对纳米流这种冷却工质的研究还处于探索阶段，对于某些特性，例如特定纳米流导热效率异常变大等特性，可以进行部分解释，但所采用的理论和经验公式的适用范围均比较有限。常用的纳米粒子的模型包括了圆形，方形，三角形等。

1 物理模型

用于本文数值计算的热沉模型如图1所示，具体的几何尺寸见表1。

图1 热沉物理模型

表1 热沉对应尺寸

2 纳米流体相关计算方程

本章节计算纳米流的流动传热特性时采用的是单项模型[1][2]，特征方程如下所示。

其中SH(纳米粒子形状因子)，SH = 3；c(纳米粒子的比重)；纳米流，纳米粒子，基本冷却流体三者的热导系数分别用knf，kp，kf表示；三者的密度用ρf，ρnf，ρp表示；三者的比热分别用Cpnf，CPp，Cpf表示；μnf，μf表示纳米流和基本冷却流体的粘度。本文选取了两种不同的冷却液流体作为研究的对象。氧化铝和氧化钛作为基本的纳米粒子，基本的冷却液是水。本文分别对这两种含有纳米粒子的冷却流体进行分析，计算了其含量从1%到6%变化过程中的流动及传热特性。

图2 η随不同纳米粒子及其含量的变化关系

3 分析与讨论

计算定义的初始条件为雷诺数，热沉底面热流，热沉进口处温度分别为546.9，106W/m2和300k，对Al2O3、TiO2两种不同种类的纳米粒子以及纳米粒子含量的散热特征做了数值计算。计算结果表明随着纳米冷却液中纳米粒子的浓度增加，对Al2O3-H2O来说，纳米冷却液的相对努塞尔数有增加的趋势，对于TiO2-H2O来说，纳米冷却液的相对努塞尔数也会增加但趋势相对平缓。而且在雷诺数相同的情况下，氧化铝纳米流其相对努塞尔数始终大于氧化钛纳米流相对努塞尔数。有两个原因会导致这种现象的发生，首先，氧化铝的导热系数大于氧化钛的导热系数，应此随着纳米粒子在纳米冷却液中含量的增加，其对应的导热系数也会增加；其次，纳米粒子的加入使得纳米冷却液本身的结构发生了改变，热能传递的能力在冷却液内部得到增强。同时，从图2可以看出，两种不同纳米冷却液其综合传热效率的变化，从图中可以看出氧化铝纳米冷却液的综合传热因子始终大于氧化钛纳米冷却液的综合传热因子，同时增长率前者也要更大一些。

4 结论

本文对基于氧化铝和氧化钛的纳米流的散热效率进行数值计算，计算结果表明，基于氧化铝的纳米流比基于氧化钛的纳米流具有更好的导热能力，而且当纳米粒子的浓度增加后，热沉入口和出口的压损也会增加。

[1]Fazeli．S．A,Hashemi．S．M．H,Zirkzadeh．H,Ashjaee．M．Experimental and numerical investigation of heat transfer in a miniature heat sink utilizing silca nanofluid．Superlattices and Microstructures,2012,51(2)∶247-267．

[2]Moraveji．M．K,Ardehali．R．M,Ijam．A．CFD investigation of nanofluid effect(cooling performance and pressure drop)in mini-channel heat sink．International Communications in Heat and Mass Transfer,2013,40∶58-66．