納米流體微通道熱沉冷卻性能強化研究

《納米流體微通道熱沉冷卻性能強化研究》是依託北京科技大學，由林林擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納米流體微通道熱沉冷卻性能強化研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：林林
• 項目類別：面上項目

項目摘要

納米流體作為冷卻流體可強化微通道熱沉性能已得到學者的廣泛認可和關注，但目前對納米流體微通道熱沉的實驗研究十分缺乏，迫切需要積累相關的實驗數據；現有模型均將納米流體視為單相流體，通過在靜止納米流體導熱係數上增加反映納米顆粒熱耗散效應的附加項描述納米流體流動和傳熱的強化作用，使導熱係數失去熱物性本質；此外也未見採用更為符合真實納米流體的顆粒離散兩相模型的提出，這些都對納米流體微通道熱沉的建模提出了挑戰。基於以上現狀，本課題將選擇幾類典型的、有工程套用背景的納米流體，重點開展其在微通道熱沉中的流動和傳熱特性研究，積累和完善相關基礎數據；深入分析納米顆粒強化微通道熱沉冷卻性能的作用機理，在此基礎上建立和完善納米流體微通道熱沉數學模型，發展基於反問題方法的微通道熱沉結構多參數最佳化方法，開展納米流體微通道熱沉冷卻性能的強化研究，為納米流體微通道熱沉的設計和開發提供參考依據。

結題摘要

本課題系統的進行了納米流體微通道熱沉性能的強化研究，共發表學術論文8篇，其中SCI檢索論文4篇，EI檢索論文5篇（含雙檢索），會議論文2篇。 傳統的微通道熱沉存在壓降過高及冷卻表面溫度分布不均勻等缺點，此外其熱阻也需進一步降低。為解決上述問題，本課題建立了完整的三維微通道熱沉流固耦合數值模型，從採用新型的冷卻工質和微通道的結構設計兩方面入手，在不增加壓降的條件下，降低熱阻，並有效改善其溫度均勻性。主要研究內容如下： （1）選用導熱係數更高的納米流體作為微通道熱沉的冷卻劑，系統分析了納米顆粒種類、粒徑、體積分數、基液種類及熱沉結構等關鍵參數對熱沉性能的影響規律。在此基礎上利用反問題最佳化法，在恆定泵功下，對納米流體作為冷卻劑的微通道熱沉的通道數N、高寬比α及通道比β進行多參數同時最佳化。為納米流體微通道的設計提供了理論基礎 （2）基於傳統的單層微通道熱沉存在底面溫度均勻性差的缺點，而雙層或多層熱沉結構的設計可有效改善其溫度均勻性。故本課題以多層熱沉結構為基礎，首先研究了雙層微通道熱沉的流量分配及幾何結構等的關鍵參數（通道數N、下通道高度Hc1、豎直肋寬度Wr、兩個水平肋寬度δ1 、δ2及下通道流體入口流速uin1）對雙層微通道熱沉性能的影響規律。接著，採用參數遞進發，在給定熱沉底面積及熱流密度的工況下，對關鍵參數進行單參數最佳化，得到各參數的最佳值。考慮到單參數法受到初值選擇、最佳化順序等影響，無法獲得全域最佳值。故又採用簡化共軛梯度法，以熱阻為目標函式，進行多參數同時最佳化，獲得性能最佳的雙層熱沉的設計參數。給實際套用中雙層微通道的設計提供方向。在雙層基礎上又提出多層設計在保持通道數N、通道寬Wc、肋寬Wr以及通道總高度Hc不變的情況下，對熱沉進行分層處理，採用單步法對雙層、三層、四層熱沉的各層流向、高度及泵功分別進行最佳化。結果表明最佳化後的多層熱沉設計可有效改善底面溫度均勻性差的缺點並且降低了熱阻。 （3）對於改善微通道熱沉壓降過大的缺點，本課題提出了一種新型多孔肋微通道熱沉，通過將微通道的肋板採用多孔介質的方式。利用通道與多孔肋板邊界面產生的速度滑移效應有效降低通道內的壓降。通過研究發現，採用多孔肋板的微通道熱沉在不損失熱阻的情況下，可有效改善微通道熱沉壓降過高問題，提高熱沉整體性能。