内部形状对微通道内流体流动及换热特性的影响研究

科技创新与应用ｌ　２０１７年第３期　科技创新　内部形状对微通道内流体流动及换热　特性的影响研究　：ｌ：　王小飞　郑伟　（１、厦门大学，福建厦门３６１００５　２、厦门大学嘉庚学院，福建漳州３６３１０５）　摘要：为了研究微通道的内部因素对其流动与换热特性的影响，文章通过对矩形、圆形、椭圆形、三角形和梯形五种内部形状的　微通道，进行了微通道内流体在层流流动方式下的流动与传热的计算机仿真研究。对比了不同形状对微通道内部流动换热性的　影响规律。结果表明，在水力直径为１．１６～３．１２ｍｍ范围内和长度为１０ｍｍ的微通道中．注入初始速度为０．１ｍ／ｓ的液体水，内部因　素对微通道内流体的压力分布规律影响不大，对流速分布规律影响也不大，但是对压力大小和速度大小有明显的影响；三角形和　梯形对加热面冷却效果较好，而圆形和正方形的冷却效果较差。文章的研究目的在于为微流体以及微流体机械的设计和应用提　供一种科学计算成果。　关键词：微通道：内部形状；流体压力；速度分布；数值模拟　引言　微通道冷却系统概念最早是在２０世纪８Ｏ年代由Ｔｕｃｋｅｒｍａｎ　和Ｐｅａｓｅ［－】提出。微通道换热器由于其结构紧凑、工质充注量少和换　热性能优良等特点，在冷却散热方面成为研究热点。越来越多的学　者对其进行研究。　微通道的尺寸结构主要对微通道高宽比、微通道长度和进出口　尺寸进行研究。Ｈｅ等人［２１得出最大速度位于三角形微通道形心处，　截面的平均温度沿程线性变化。Ｌｉｕ等［３１在相同热边界条件下，通过　比较水力直径、通道长度和宽高比等几何参数对液体微流动的影　ａ　｛　毒老＋者　渤＋　ｔ　ａ　ｔ　８ｘｌ｝’　　一（２）　者　渤一　毫　能量方程：　＝毫　＋　（３）　响。Ｑｕ等人【４坝０得梯形微通道内水流动的摩擦阻力系数高于层流理　论的预测值。Ｗａｎｇ等人　４得圆形和矩形微通道内润滑油流动的摩　擦阻力系数低于理论预测值。　国内外学者对影响微通道内流体流动特性的因素进行了研究。　由于更多的研究集中在微通道的尺寸，水力直径以及相对粗糙度对　微通道内部液体流动的影响，而对于微通道内部形状这一因素，有　定涉及，而对于多种内部因素形状对微通道内流体流动与传热的　一式中　一粘性耗散项；ｐ－密度；Ｃｐ－定压比热容；Ｔ～温度。　１．２流动边界条件　流体和固体的接触表面没有速度滑移　ｕ　０，ｖ　０，ｗ　０　（４）　（５）　微通道的进口速度都相等。　ｗ＝Ｏ．１ｍ／ｓ　出口压力都相等。　ｐ＝０　影响研究，鲜有报道。　本文针对上述问题，分别对矩形、圆形、椭圆形、梯形及三角形　五种不同形状的微通道内部因素进行了流动和传热的计算机仿真　（６）　１．３热边界条件　微通道底壁为均匀热流：　一研究。研究结果为后续进行不同内部因素对微通道内流动和传热的　深层次研究，提供初期仿真成果。　１仿真计算说明　１－ｌ边界条件　Ｔ　　０Ｔ　ｑ　（７）　除此之外其他壁面均为绝热边界。　微通道进口处液体温度：　Ｔ＝３００Ｋ　本研究主要分析单相流体在五种不同形状微通道内的流动、压　力和传热特性。为简化计算，故对模型做如下假设：整个过程为稳　态；Ｎ—Ｓ方程依然适用；液体水为层流和不可压缩；流体除比热容为　定值外，其他物性参数如密度、黏度、传热系数均为温度的函数，固　体各物性参数为定值；不考虑体积力；忽略热辐射和表面张力的影　响。　（８）　１．４五种微通道的尺寸及模型　表１五种微通道尺寸　参数　数值／ｍｌｌｌ　由以上假设可知，Ｎ—Ｓ方程和能量方程对微通道流动和传热特　性依然适用。　连续方程：　：０　口　矩形高×宽　椭圆长轴×短轴　一１×１　２×１　２　角彤。。。－ｉ７３　圆直径　（１）　１．１６　梯形上底×下底×高　１×３×１．５　其中微通道的长度均为Ｌ＝１０ｍｍ。　１．５数值方法　动量方程：　面部。当损坏时，只需更换相应的零部件即可，不需要重新配镜，可　以有效的减少使用者的损失和精力。　４结束语　本设计研究的新型眼镜架来自于生活，涉及大广大酷爱球类运　动的近视人群，具体实施时只需要对原有的眼镜架进行细微的改　动，投入小且效果明显。随着社会的发展，科技的进步，人们对生活　产品的要求越来越高了，因此，为了设计出更加合理，更加实用，更　加适合人们使用的新型眼镜架，我们仍需不断地努力和创新研究。　我国是一个近视人数众多的国家，且在这个２１世纪注重运动的时　代，运动也是必不可免的，因此，设计出一款可以有效防止在运动中　一受损的眼镜已经迫在眉睫了。所以，本设计的新型眼镜架具有较高　的社会效益。　参考文献　［１］蔡笃儒，赖春荣．中小学生近视影响因素调查［Ｊ１＿中国行为医学科　学，２００３（４）．　【２］韦军涛．眼镜建设中产品基因探究【ＪＪ．中国眼镜科技杂志，２００９　（１０）．　作者简介：王之鉴（１９９９，０２一），男，汉族，浙江绍兴，高中，研究　方向：中学基础知识和创新发明。　１２一　科技创新　一２０ｌ７年第３期Ｉ科技创新与应用　蚺『Ｉ‘Ｉ—　辨　本文采用Ｆｌｕｅｎｔ６．３版本来进行模拟计算。用有限体积法对每　将五种不同形状的微通道加热面冷却后，不同位置的温度，放　Ｐｄ蘸簦　Ｏ　Ｏ　Ｏ　得到图３。　个网格或者控制中心处的守恒方程式进行离散运算，将微分方程　在同一张图中，比较不同之处，循　惦　¨　飘形　式离散为代数方程式。所得的系数矩阵再经低松弛处理后利用　∞　ｏ　邶　渤　枷　兰镥｝酷　ＳＩＭＰＬＥＣ求解。　芷方襻　２结果讨论　梯形　首先讨论五种不同形状下的微通道内部压强从进口到出口的　麓竭形　变化情况，再讨论温度分布和速度分布，最后将不同形状下压力、温　度以及速度分布的结果进行比较，得出不同形状微通道对其影响。　２．１压强分布特性　将五种不同形状微通道不同位置受到的压力，放在一起比较，　得到图１。　Ｏ住～Ｏ一兰角彩　▲…ｇ　Ｏ　２　４　ｅ　毒ｔ０　糖精避长糜Ｊ　ｍ　噱黑　垂｝　猫　抛　搬　差邑　扔　拼　｛暑　捌姻遵￥鞠　ｍｍ　图１五种形状微通不同位置与压强关系　由图１可以看出，压强的变化趋势基本相同，从进口到出口压　强越来越小。　由以上结论可以发现，压力在五种不同形状的微通道上所呈现　的规律是类似的，压力的分布、压力递减的规律都是类似的。所以在　相同的人口速度时，微通道的形状对压力的分布规律影响很小。　２．２速度分布特性　将五种不同形状的微通道内部液体的流速规律放在同一张图　中，比较不同之处，得到图２。　＿～隧形　南形　琏方形　捞搿　图３五种形状微通道加热面温度的变化规律　从图３可以看出，不同形状微通道冷却面温度变化规律类似。　从进口到出口，加热面的冷却效果越来越差，其中三角形和梯形冷　却效果较好，圆形和正方形冷却效果比较差。　３结束语　本文详细讨论了五种形状微通道，分别为矩形、圆形、椭圆形、　三角形和梯形微通道对压力分布、温度分布和速度分布的影响。从　以上研究可以得出如下结论：　（１）对于五种不同形状的微通道，压力分布都呈现三种相同规　律：进口端压力最大，并且最大压力集中在棱角处；从进口到出口压　力逐渐减小，最后保持一个稳定值；垂直于流体流动方向的截面上，　速度分布规律相同。所以微通道的形状对压力分布规律影响较小。　（２）不同形状的微通道对速度分布规律影响较小。五种形状中，　正方形微通道最大速度最大，梯形最大速度最小。　（３）不同形状的微通道对温度的分布规律影响较小。五种形状　中，三角形和梯形对加热面的冷却效果最好，圆形和正方形的冷却　效果最差。　（４）基于本文对具体形状因素的研究，对后续微流体以及微流　体机械的设计和应用提供初期仿真研究结果。　参考文献　『１］Ｔｕｃｋｅｒｍａｎ　Ｄ　Ｂ，Ｐｅａｓｅ　Ｒ　Ｆ　Ｗ．Ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｈｅａｔ　ｓｉｎｋｉｎｇ　ｆｏｒ　ＶＬＳＩ［ＪＩ．ＩＥＥＥ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９８１，２（５）：１２６－１２９．　『２］Ｑｕ　Ｗ　Ｌ，Ｍａｌａ　Ｇ　Ｍ，Ｌｉ　Ｄ　Ｏ．Ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｆｏｒ　ｗａｔｅｒ　ｆｌｏｗ　ｉｎ　ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｍｉｃｒｏ－ｃｈａｎｎｅｌｓ　ｒＪ１．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　Ｈｅａｔ　ａｎｄ　Ｍａｓｓ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ，２０００，４３（２１）：３９２５－３９３６．　椭圆　［３］何颖，邵宝东，程赫明．等边三角形微通道内层流的流动特性和换　热特性的研究【Ｊ］．应用数学和力学，２０１４，３５（３）：３１３—３２０．　ｆ４］刘赵淼，逄燕，申峰．几何尺寸对矩形微通道液体流动和传热性能　的影响『Ｊ１．机械工程学报，２０１２，４８（１６）：１３９—１４５．　ｆ５］Ｗａｎｇ　Ｃ　Ｃ，Ｊｅｎｇ　Ｙ　Ｒ，Ｃｈｉｅｎ　Ｊ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｆｒｉｅｔｉｏｎａｌ　ｐｅｆｒｏｍａｎｃｅ　ｒ０ｆ　ｈｉｇｈｌｙ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｆｌｕｉｄ　ｉｎ　ｍｉｎｉ—ｃｈａｎｎｅｌｓ『Ｊ１．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｅｎｇｉ—　ｎｅｅｆｉｎｇ．２００４．２４（１４－１５）：２２４３－２２５０．　作者简介：王小飞，男，硕士研究生，主要研究方向为机械工程　以及纳米流强化传热。　０　２　４　５　Ｏ　郑伟，男，博士，副教授，主要研究方向为内燃机工作过程以及　纳米流强化传热。　崩舢士　ｍｍ　图２五种形状微通道内流体流速的变化规律　从图２可以看出，不同形状微通道的速度变化规律类似，从进　口到出口速度在增加，然后增加到最大，保持这个速度流出；不同微　通道，最大速度不相同。　从图２中也可以发现不同之处：最大速度不同。由图２可以看　出最大速度分别为０．１８３、０．１６２、０．１８７、０．１４８和０．１７４ｍ／ｓ。正方形微　通道最大的速度比其他四种图形的最大速度大。速度最小的是梯形　微通道。　２－３温度分布特性　基金项目：福建省自然科学基金（２０１５Ｊ０１２２３）；福建省高校新世纪优秀人才支持计划（２０１５年度）；福建省中青年教师教育科研项目　（ＪＡ１５６１２）　一１３一