内部形状对微通道内流体流动及换热特性的影响研究

王小飞　郑伟

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80年代由Tuckerman和Pease[1]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[2]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[3]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响。Qu等人[4]测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[5]测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，有一定涉及，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

1.1 边界条件

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。

其中微通道的长度均为L=10mm。

1.5 数值方法

本文采用Fluent6.3版本来进行模拟计算。用有限体积法对每一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SIMPLEC求解。

2 结果讨论

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。

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。所以在相同的入口速度时，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。

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

将五种不同形状的微通道加热面冷却后，不同位置的温度，放在同一张图中，比较不同之处，得到图3。

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[J]. IEEE Electron Device Letters，1981，2（5）：126-129.

[2]Qu W L， Mala G M， Li D Q. Heat transfer for water flow in trapezoidal silicon micro-channels[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43（21）：3925-3936.

[3]何穎，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.

[4]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[J].机械工程学报，2012，48（16）：139-145.

[5]Wang C C， Jeng Y R， Chien J J， et al. Frictional performance of highly viscous fluid in mini-channels[J]. Applied Thermal Engineering，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。

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。