不同參數(shù)及工況對(duì)流體流動(dòng)換熱的影響 畢業(yè)論文

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1、第1章緒論1.1研究的背景及意義現(xiàn)代高科技的發(fā)展越來越傾向于關(guān)注那些發(fā)生在小尺度和快速反應(yīng)過程中的現(xiàn)象及其相應(yīng)器件上。對(duì)二十一世紀(jì)的人類來說，這不僅僅是一個(gè)科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的時(shí)代，更意味著引領(lǐng)世紀(jì)高端的挑戰(zhàn)。雖然微流體器件和微小傳熱器件的商業(yè)化過程仍然處于發(fā)展時(shí)期，但是它所具備的那些優(yōu)勢(shì)——體積小，重量輕，日漸引起研究者的青睞。目前微尺度的應(yīng)用正處于積極的探索之中，基于人們對(duì)微尺度的基本傳熱和流動(dòng)過程中的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的與日俱增的需求，系統(tǒng)也會(huì)變得越來越復(fù)雜，而研究者們也正積極開辟其新的工程應(yīng)用和市場(chǎng)。1.1.1微通道的研究背景早在1959年，物理學(xué)家RichardP.Feynman在

2、美國(guó)物理協(xié)會(huì)上宣讀的一篇經(jīng)典論文“There’sPlentyofRoomattheBottom[1]”，在預(yù)言出設(shè)備和系統(tǒng)微小型化的同時(shí)也奠定了微通道發(fā)展的立場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的微米/納米技術(shù)(Micro/NanoTechnology)蓬勃發(fā)展的同時(shí)也建立起以微米/納米技術(shù)為基礎(chǔ)的微系統(tǒng)(MicroSystems)，它是集微結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、接口、微能源等于一體的，但是都有一個(gè)共同特征——物質(zhì)和能量的輸運(yùn)均發(fā)生在有限的微小結(jié)構(gòu)內(nèi)，并且其特征尺寸都僅在1um至1mm之間。物質(zhì)的輸運(yùn)和相互作用的過程是避免不了流動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的，而且任何不可逆過程中能量的耗

3、散有一部分都是以熱的形式體現(xiàn)的，并且化學(xué)反應(yīng)或相變過程中的任意分子重構(gòu)也必然涉及到與周圍環(huán)境的能量交換問題。因此，對(duì)于所有微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用來說，全面了解微系統(tǒng)在特定尺度內(nèi)微機(jī)電性質(zhì)及材料的熱物性、熱行為等已經(jīng)成為迫在眉睫的任務(wù)。1.1.2微通道的發(fā)展在微系統(tǒng)積極應(yīng)用的前景下，微通道換熱器應(yīng)運(yùn)而生。微通道換熱器是一種具有傳熱溫差小、傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊以及冷卻性能好等眾多優(yōu)點(diǎn)的新興強(qiáng)化換熱裝置。1981年，Tuckerman和Pease首次在硅制VLSI(VeryLargeScaleIntegration)芯片上蝕刻了微通道熱槽，構(gòu)造出了第一個(gè)由單個(gè)或多個(gè)并聯(lián)微通道組成的微通道換熱器(

4、microchannelheatsinks或microchannelheatexchangers)，這為電子器件的冷卻提供了一個(gè)35全新的思路，同時(shí)也將有關(guān)微尺度下流體流動(dòng)和換熱特性的研究——“尺寸效應(yīng)”引入了傳熱界?！俺叽缧?yīng)”是指由于微小尺寸引起的不同于常規(guī)物理尺寸的傳熱傳質(zhì)和流動(dòng)效應(yīng)的現(xiàn)象。當(dāng)研究對(duì)象的物理尺寸小到一定程度時(shí)，也就是微尺度條件下，熱現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)一些不同于常規(guī)尺寸下的新特征——熱流密度大以及熱慣性隨尺寸的減小而減小。一般情況下，物體的熱慣性大致正比于尺寸的3次方，所以當(dāng)器件尺寸減小時(shí)，其熱慣性也將顯著下降。正因?yàn)槿绱耍瑹釕T性減小，使得在常規(guī)尺寸下很難實(shí)現(xiàn)的過程卻可以在

5、微尺度下短時(shí)間實(shí)現(xiàn)。微通道通常都加工在微電子器件基底材料的背面，微流體流經(jīng)微通道并以對(duì)流換熱的方式來去除微電子器件所產(chǎn)生的熱量。現(xiàn)在微通道換熱器已在超大規(guī)模集成電路、超導(dǎo)電機(jī)、電子、航天、制冷、化工以及生物工程等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電子計(jì)算機(jī)容量和速度的快速發(fā)展以及導(dǎo)彈、衛(wèi)星和軍用雷達(dá)對(duì)高性能模塊和高可靠大功率器件的要求，對(duì)器件特征尺寸的要求是越小越好，已從微米量級(jí)向亞微米量級(jí)發(fā)展，而且器件的集成度自1959年以來每年以40%-50%的速度高速度遞增。到80年代中期，每一個(gè)芯片上已經(jīng)有106個(gè)元件，雖然每個(gè)元件的功率很小，但這樣高的集成度使熱流密度高達(dá)，它已經(jīng)相當(dāng)于飛行器返回

6、大氣層高速氣動(dòng)加熱形成的高熱流密度。90年代以后，在微米/納米技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，器件構(gòu)件尺寸的減小以及功率密度的增大，使得傳統(tǒng)的流體力學(xué)和傳熱學(xué)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。1.1.3微通道的應(yīng)用微通道換熱器是一種借助于特殊微加工技術(shù)以固體基質(zhì)制造的可用于進(jìn)行熱傳遞的三維結(jié)構(gòu)單元。目前最直接的分類方法是按照水力當(dāng)量直徑的尺寸來劃分的。通常將水力直徑小于1mm的換熱器成為微通道換熱器。與傳統(tǒng)散熱技術(shù)相比，微通道換熱器具有高效、優(yōu)良等傳熱性能，所以自提出以來一直是關(guān)注的焦點(diǎn)。微通道換熱結(jié)構(gòu)如圖1所示，是由高導(dǎo)熱系數(shù)材料（如硅）構(gòu)成的。微通道換熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的換熱手段，正由于這種優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)引致其

7、成為散熱技術(shù)領(lǐng)域的高關(guān)注點(diǎn)。而且微通道換熱器已在超大規(guī)模集成電路、航空技術(shù)和制冷等方面得到廣泛的應(yīng)用。35圖1微通道換熱器的基本結(jié)構(gòu)(1)集成電路的散熱問題微電子器件的可靠性對(duì)溫度十分敏感，當(dāng)器件溫度在范圍時(shí)，其每增加1，它的可靠性就會(huì)下降5%。因此，隨著集成度快速增長(zhǎng)而日益迅速發(fā)展的高性能電子器件冷卻散熱機(jī)構(gòu)正處于不斷優(yōu)化的階段。例如核心頻率為的PentiumIV處理器，在熱耗散為，熱流密度約為，芯片能夠穩(wěn)定工作的前提下，系統(tǒng)所允許的最高溫度