席有民　　余建祖　　謝永奇　　高紅霞

                   (北京航空航天大學航空科學與工程學院,北京100191)　　

    摘要：以體積濃度30%的乙二醇水溶液為工質,采用定熱流加熱方式,對槽寬0. 3mm的4個深度不同的矩形截面渦旋微槽試件的換熱性能進行了實驗研究.試件所用材料為紫銅,每個試件上分布6個渦旋微槽.實驗測量了不同工質流量,不同加熱功率下渦旋微槽的換熱性能,分析了微槽結構、工質流速對其換熱性能的影響,擬合得到相應的換熱實驗關聯式.與平直微槽的換熱性能進行了對比,結果表明渦旋微槽散熱器的換熱性能優于平直微槽散熱器.

    關鍵詞：渦旋;微槽;傳熱

    中圖分類號：V 434+. 14

    文獻標識碼：A　　　　文章編號：1001-5965(2009)03-0288-04

    自20世紀80年代中期美國學者Tuckerm和Pease提出“微槽散熱器”以來,微尺度流動和傳熱現象一直是國際電子學界和傳熱學界研究的熱點[1].渦旋微槽是指槽道為渦旋狀的微槽.由于其流道是彎曲的,流體在流動過程中受到離心力作用,流動結構發生變化,使得渦旋微槽中的流動和換熱性能與平直微槽相比表現出很大的不同.這也使得渦旋微槽具有適應航空電子設備在變加速度環境下散熱的潛力.使用液體工質的平直槽道在飛行器做機動飛行時,由于力學環境變化將可能造成散熱條件的惡化(如工質脫離散熱面).航空飛行器愈向高空高速發展,過載加速度的影響愈大,航空電子設備性能和可靠性的提高愈依賴于加速度環境下散熱技術的發展.因此,對渦旋微槽的換熱性能進行研究具有重要的學術價值和實際意義.

    1　渦旋微槽實驗件結構及實驗裝置

    1. 1　渦旋微槽實驗件結構

    渦旋微槽結構如圖1所示, 6個渦旋槽采用微細加工技術在紫銅基板上加工得到.渦旋微槽試件的幾何尺寸見表1.試件結構如圖2所示.蓋板與渦旋槽基板之間采用聚四氟乙烯薄膜密封,防止液體工質在槽道間的竄流.進出口管焊接在蓋板上.液體工質從進口管流入,沿渦旋槽流動4圈后從中心流出.在蓋板側面開孔與液體進出口相通,以便安裝溫度傳感器,測量液體工質的進出口溫度.在渦旋槽基板側面距槽底1. 5mm處開了8個安裝溫度傳感器的小孔(每個側面2個孔),用來測量渦旋槽壁面溫度. 8個測溫點從進口處開始分別位于渦旋槽的0. 5π,π, 2π, 3π, 4π, 6π,6. 5π, 7π處.

                 

    1. 2　實驗裝置

    實驗裝置示意圖見圖3.實驗系統由液體循環與冷卻系統、加熱與控制系統和參數測量與數據采集系統等組成.實驗采用體積濃度30%的乙二醇水溶液為工質.工質從恒溫水槽流出,由泵提高壓力后分為兩路,一路流經試件,另一路進入旁通回路,通過閥門調節流經試件的流量.該流量由金屬管浮子流量計LZD-15測量,根據流量范圍不同,選用了2個流量計.工質在渦旋槽進出口處的溫度由K型熱電偶測量,其探頭直徑為1mm,在渦旋槽下方布置的用來測量壁面溫度的熱電偶探頭直徑為0. 5mm,精度為±0. 5℃.測量信號經HP34970A高速數據采集系統傳輸到計算機中.兩根直徑6mm的加熱棒為實驗提供恒熱流密度加熱.加熱棒由可調節功率電源DH1716A-13為其供電.

                    

    2　數據處理與誤差分析

    2.1　De數

    文獻[2-3]對水在圓截面螺旋槽道的流動研究中,首次對彎曲槽道的“二次流”進行了深入的理論分析.采用小曲率假設(即認為槽道直徑d與螺旋中心線直徑D相比為無窮小量)對動量方程和連續性方程進行了簡化.在這個假設條件下,可用無量綱參數得到包括二次流和主流軸向流動的動態近似解,該無量綱參數為：

                   

    式中,Re為雷諾數,其特征尺度為d,表征流體流動過程中的慣性力與粘性力之比.這個無量綱數的后半部分開方就得到了De數,即

                   

    可見De數為慣性力與離心力和粘性力之比由于“二次流”是由離心力和粘性力的相互作用引起,所以De數是“二次流”強度的量度.取中心渦旋的曲率直徑Dc作為渦旋槽的名義曲率直徑.由于Dc是連續變化的,所以De數也是連續變化的.又本文研究的渦旋槽為矩形截面故式(2)中d應取為dh.對De數沿渦旋槽中心線進行平均,即取

                   

    為渦旋微槽中“二次流”強度的量度.其中,L為渦旋槽中心線的長度.

    2.2　對流換熱系數

    換熱量Q可由下式得出

    Q =ρqVCpΔT (4)

    式中,ρ為工質密度; qV為體積流量; cp為定壓比熱容;ΔT=Tout-Tin,為工質溫升;Tin,Tout分別表示工質進出口溫度.

                  

    式中,k為定性溫度下工質的導熱系數.以上各式中的物性參數均以工質進出口溫度的算術平均值作為特征溫度來計算.工質物性參數的計算公式由文獻[4]中的數據擬合得到.

    2.3　誤差分析

    實驗中直接測量量有Tin,Tout,Tiw,qV等,間接測量量有h,Q,q等.通過對各測量量進行不確定度分析可得[5], h的不確定度為U (h ) /h≤28.3%,q的不確定度為U(q) /q≤25.4%.

    3　實驗結果分析

    3.1　流速對渦旋微槽換熱性能的影響

    實驗中通過改變qV來分析流速對換熱性能的影響.圖4a、圖4b分別為試件1在不同qV下的q-Tw和h-Tw曲線圖.由圖4a可知,在q相同的情況下,qV增大,將使Tw降低.Tw相同時, qV增加,可以使q大幅增加.特別在Tw較高時,效果更為顯著.由圖4b可知,對同一試件, qV增加,可以大幅提高h.

    其他試件的實驗結果,也有相同規律.但增大qV,需要泵提供更大的壓頭.對渦旋微槽,由于流動阻力較大,在實際使用中需對提高槽道換熱能力與克服微槽流動阻力進行綜合權衡來確定qV.

    3.2　γ對渦旋微槽換熱性能的影響

    對不同試件在qV接近、恒溫水槽溫度相同條件下的換熱性能圖疊加,進行對比.圖5a和圖5b給出了3個不同試件在恒溫水槽溫度為20℃時的q-Tw和h-Tw曲線圖.

                 

    由圖5可知,在恒溫水槽溫度相同,qV相近以及相同的Tw下,3個試件的q相差不大,但是h相差較大,以試件2的最大,試件4的最小.這是由于隨著γ的增加,試件的dh增大,使得同樣流量下流速降低,h減小,而γ的增加卻使Aw增大.由于實驗中3個試件的Aw1均相同,由式(5)可知,q只隨Q變化.又由式(6)可知,Q∝h且Q∝Aw.

    綜合試件在其他流量下的實驗,可得出相似的規律.可見,為了滿足一定熱流密度的散熱要求,在其他條件相同的情況下,可選擇γ大的試件,此時h較小,流動阻力也較小;也可選擇γ小的試件,此時h較大,流動阻力也較大.

    3.3　De數對渦旋微槽換熱性能的影響

    由式(2)可知,流速和dh是De數中重要的兩項,在微槽寬度相同時,dh僅與γ有關.本文實驗研究所用試件的基圓直徑、槽寬和渦旋節距均相同,故De數對渦旋微槽換熱性能的影響主要體現在流速和γ對換熱性能的影響.這兩項的影響,可由以上分析得出.需要指出的是,微槽節距相同,槽道寬度不同則Dc不同.這將對渦旋微槽中的“二次流”產生重要影響,對渦旋微槽的換熱性能也會產生重要影響,有關這方面的研究將在后續工作中進行.

    3.4　渦旋微槽強迫對流換熱實驗關聯式

    為進一步得出渦旋微槽單相對流換熱性能與其影響因素之間的數值依變關系,綜合考慮工質物性、微槽結構等的影響,得出如下關聯式：

               

    式中,Pr為普朗特數.De數、Pr數的定性溫度取工質進出口溫度的算術平均值.式(9)的全相關系數R= 0.968,剩余標準差S=0.072.

    3.5　渦旋微槽與平直微槽換熱性能的對比

    文獻[6]對質量濃度為66%的乙二醇水溶液在矩形微槽中的換熱性能進行了實驗研究,并得出實驗關聯式.由于所用微槽截面及所用工質和實驗條件均與本文接近,故用以作為對比.圖6為平直微槽實驗關聯式,渦旋微槽實驗結果和渦旋微槽實驗關聯式的Re-Nu圖.可見,渦旋微槽的換熱性能要優于平直微槽,尤其Re數較大時,優勢愈明顯.

                

    微槽實驗關聯式的Re-Nu圖.可見,渦旋微槽的換熱性能要優于平直微槽,尤其Re數較大時,優勢愈明顯.

    4　結　論

    以30%乙二醇水溶液為工質,對渦旋微槽換熱性能進行了實驗研究.主要結論如下:

    1)工質流速、微槽結構對渦旋微槽換熱性能具有重要影響,實際應用中需綜合考慮換熱性能與流動阻力間的匹配;

    2)對所研究的矩形渦旋微槽,給出了單相強迫對流換熱實驗關聯式;

    3)與平直微槽換熱性能進行對比,表明渦旋微槽換熱性能優于平直微槽,Re數越大,差別越明顯.

    從實驗結果可以看出,以30%乙二醇水溶液為工質,在60℃左右的壁溫下,可以實現120W /cm2以上的較高熱流密度的單相對流換熱,滿足中高強度電子元器件的散熱要求.

參考文獻(References)

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[2] DeanW R. Note on the motion of fluid in a curved pipe[ J].The London,

 Edinburgh& Dublin PhilosophicalMagazine andJournal ofScience, 1927, 4: 208-233

[3] DeanW R. The streamlinemotion of fluid in a curved pipe[J].The London, 

Edinburgh& Dublin PhilosophicalMagazine andJournal ofScience, 1928, 5: 673-695

[4]劉光啟,馬連湘,劉杰.化學化工物性數據手冊(有機卷)[M].北京:化學工業出版社, 2002

[5]陳虹夜,曹鋼,盧軍.物理實驗中不確定度的估算[J].山東輕工業學院學報, 2002, 16(3): 73-76

[6]朱恂,辛明道.微小槽道散熱器流動與換熱實驗研究[J].重慶大學學報, 2003, 26(6): 70-72, 77(責任編輯:趙海容)