一种新型嵌入连通槽微通道的传热性能研究| CJME论文推荐

Original 袁丁，周伟等机械工程学报 2024-06-05

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引用论文

Yuan, D., Zhou, W., Fu, T. et al. Heat Transfer Performance of a Novel Microchannel Embedded with Connected Grooves. Chin. J. Mech. Eng. 34, 145 (2021).https://doi.org/10.1186/s10033-021-00632-w

研究背景及目的

微结构增强表面是强化微通道传热的有效技术，现有常用微结构设计与制造技术主要集中在侧壁或底部，很少有人关注微通道侧壁和底面结构的协同传热性能。微通道侧壁与底部连接的凹槽（连接槽）可能改变侧壁内流体的流动形式，诱导强烈的径向和横向对流，从而强化微通道传热。因此论文旨在研究微通道散热器中连接槽对流体流动和传热性能的影响。特别是从流动路径、热力学第一定律和第二定律的角度对具有连接槽的微通道散热器的整体性能进行了具体的分析和评价。

试验方法

在试验部分，我们选择底部有斜槽的B型微通道的单相层流传热性能与仿真结果进行对比研究，以验证仿真算法的准确性。我们首先搭建了换热性能测试系统，该系统由微型齿轮泵、去离子水，微型流量计、恒温水浴、冷凝器、储液器、数据采集器、压力传感器和测试部分组成。测试部分的核心是微通道热沉，包含了8个通过数控铣削获得的B型微通道微通道，热沉的加热面积是20 mm×40 mm，由9个筒式加热棒供热。数字功率计提供80W的加热功率；所测温度包括微通道底面的平均温；热沉的导热系数；去离子水的入口和出口温度。通过采集的数据可计算出B型微通道的努塞尔数并与仿真结果做比较，从而验证仿真算法的准确性。

仿真模型包括A（具有的连接槽的）、B（底部有斜槽的）、C（底部斜槽偏转的）、D（侧壁有凹槽的）、E（光滑矩形的）型5种微通道，采用结构化网格和局部网格细化方法划分网格，流动与传热控制方程采用二阶迎风和SIMPLEC算法进行离散和求解，控制收敛残差为10^−6，分别计算不同结构微通道的努塞尔数、压降、摩擦系数、熵和场协同数，分析换热最优的微通道结构。

图1 Re = 120时不同微通道的流线型，A、B、D型分别如 (a)–(c)所示

图2 不同微通道压降随雷诺数的变化曲线

结果

研究结果表明，当雷诺数从118到430时，A、B、C和D型微通道的平均努塞尔数分别比光滑矩形型微通道提高了106%、73.4%、50.1%和12.6%；A型微通道的平均综合换热性能PEC值为1.90，约为矩形微通道的2倍；A型微通道的协同角β和熵产生数Ns,a最小；连接槽优化了流体的传热路径，从而提高了传热性能，A型微通道具有最佳的传热性能。

结论

这项研究表明尽管A型微通道从几何结构上看，是底部含有凹槽的B型微通道和侧壁含有凹槽的C型微通道的组合，但是A型微通道的换热效果（Nu数）却大于B型和C型微通道的简单叠加，A型微通道相比常规的B型和C型微通道可显著改善微通道的传热性能。研究发现微通道底部的斜槽不仅促使流体沿着横向温度梯度方向流动，而且还促使侧壁凹槽内的流体产生了竖直方向的流动分量，将侧壁凹槽内的横向涡转化为更有利于传热的纵向涡；结果表明了侧壁和底部形成的连接槽微结构可有效促使流体沿着温度梯度流动。在所研究的Re范围内，A型微通道的平均综合换热性能PEC的值最高，A型微通道的协同角最小，结构的协同换热效应最好；A型的熵产数Ns,a最低，表明连通沟槽微通道的能量利用率最有效的。

前景与应用

微通道散热器具有比表面积大、体积小、结构紧凑等特点，可以直接作用于毫米甚至微米级的热源位置进行强化传热，是解决高热流密度电子元器件散热难题的普遍手段。然而传统微通道主要通过在微通道的底面或侧面设计制造微结构提升换热性能，存在着综合换热效率低的问题，连接槽微通道的侧壁与底部微结构对换热起到协同增强作用，提升了微通道的综合换热性能，是一种低阻节能高效传热的微通道结构，可解决常规矩形微通道和单一壁面含微结构的微通道综合换热性能不够高的问题。

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团队带头人介绍

厦门大学周伟教授（博士生导师），国家优秀青年科学基金获得者。目前担任厦门大学机电工程系主任、福建省精密制造业技术开发基地副主任、福建省微纳制造工程技术研究中心副主任、福建省机械工程学会副秘书长。周伟教授研究团队长期致力于精密制造技术、功能微结构制造、新能源与节能技术、微纳传感器领域的研究工作。目前研究团队有教授1名，副教授5名，助理教授1名，博士后4名，博士生/硕士生40余名。近年来获得包括国家自然科学基金优秀青年科学基金项目/面上项目、福建省/广东省杰出青年科学基金项目、厦门市科技计划项目、一批企业委托课题等，科研经费十分充足。担任国际SCI期刊《Advances in MaterialsScience and Engineering》副主编和202 IEEE NEMS组委会主席等。曾获得教育部技术发明二等奖、厦门市科技进步一等奖、广东省自然科学二等奖、福建运盛青年科技奖、厦门市拔尖人才等。

作者介绍

袁丁（本文第一作者），毕业于华南理工大学并获得工学博士学位，同年进入厦门大学周伟教授课题组进行博士后研究，主要研究方向为微通道强化换热，结构设计与精密制造。

团队研究方向

周伟教授研究团队主要围绕高效制氢技术、微通道反应器技术、燃料电池技术等领域的研究工作，在高效传热性能等方面开展了大量的研究工作，已在国际期刊发表SCI论文130余篇，申请与授权专利90项，4项专利成果实施转化。

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编辑：谢雅洁校对：向映姣

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