射流微通道换热特性研究①

王 坤, 贺牧野, 刘广峰

(安徽理工大学机械工程学院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

随着科技的快速发展，人们对电子元件的要求也越来越高，大规模集成电路的应用导致产生大量的热量，如何有效的散热成为了科技发展必须攻克的难题。多束射流冷却技术[1]与微通道技术[2]因其具有高性能、低消费的特点越来越得到人们的关注。

本文通过将多束射流冷却技术与微通道冷却技术相结合[3]，研究其在不同雷诺数下的流动特性与换热特性，并进行分析总结。

1 模型建立

1.1 物理模型

通过三维软件建立模型，如图1所示是射流微通道三维模型图，上方为射流入口，侧边为出口，通道底面为加热面，具体几何尺寸见表1。

表1 射流微通道具体几何尺寸

1.2 计算模型

1.2.1 湍流模型与边界条件

选取RNGk-ε模型可以对旋流进行捕捉，出口设置为压力出口，一个标准大气压，进口为速度入口，流体温度为300K，加热面给定热流密度为100W/cm2，除加热面外都绝热。

1.2.2 数值模拟方法

对模型采用结构网格划分，在流固耦合出划分边界层网格，选用 SIMPLE 算法计算压力-速度耦合方程，选用二阶迎风格式，压力插值为Standard[4]，如图2。

1.2.3 网格无关性验证

对模型进行网格无关性验证，当网格数由110万增至130万时，换热系数变化仅为4.6%，最终选择网格数为110万，如图3。

2 模拟结果分析

图4为射流微通道在Re=500～2500时的速度流线图，如图所示，流体从射流孔进入微通道肋，由于是单侧出口，下游流体直接被高速的上游流体携带出去，并没有直接与通道底面相接触，随着雷诺数的不断增加，这种现象变得尤为明显。流体进入通道内后与壁面碰撞产生漩涡，随着雷诺数的不断增大通道内流体涡旋增强，流线不断变得密集，流速逐渐增加，换热速率得到提升。

图5为射流微通道在Re=500～2500时的通道平均温度变化图，低雷诺数时，随着雷诺数的不断增加，通道平均温度减小迅速，但随着雷诺数的持续增大，平均温度的变化趋势产生减缓，明显低于低雷诺数时增长趋势，雷诺数的降低了通道加热面的平均温度，由376 K降低至350 K，达到了20 K左右。

图6为射流微通道在Re=500～2500时换热系数变化关系图，低雷诺数时换热系数增长迅速，随着雷诺数的不断增大，射流微通道的换热系数也不断增大，但增长趋势得到减缓，且换热系数变化几乎与雷诺数呈正比例关系。

3 结 论

通过将多束射流冷却技术与微通道冷却技术相结合，研究其在不同雷诺数下的流动特性与换热特性，并进行分析总结，得出结论如下:

(1)伴随着雷诺数的增大流体在微通道内的流速加快，上游流体的裹挟现象加剧，微通道内涡旋增多，换热效果得到提升。

(2) 低雷诺数时换热系数增长迅速，随着雷诺数的不断增大，射流微通道的换热系数也不断增大，但增长趋势得到减缓，且换热系数变化几乎与雷诺数呈正比例关系。