涡旋微槽内的单相强迫对流换热性能实验

                       席有民　　余建祖　　谢永奇　　高红霞

                   (北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191)　　

    摘要：以体积浓度30%的乙二醇水溶液为工质,采用定热流加热方式,对槽宽0. 3mm的4个深度不同的矩形截面涡旋微槽试件的换热性能进行了实验研究.试件所用材料为紫铜,每个试件上分布6个涡旋微槽.实验测量了不同工质流量,不同加热功率下涡旋微槽的换热性能,分析了微槽结构、工质流速对其换热性能的影响,拟合得到相应的换热实验关联式.与平直微槽的换热性能进行了对比,结果表明涡旋微槽散热器的换热性能优于平直微槽散热器.

    关键词：涡旋;微槽;传热

    中图分类号：V 434+. 14

    文献标识码：A　　　　文章编号：1001-5965(2009)03-0288-04

    自20世纪80年代中期美国学者Tuckerm和Pease提出“微槽散热器”以来,微尺度流动和传热现象一直是国际电子学界和传热学界研究的热点[1].涡旋微槽是指槽道为涡旋状的微槽.由于其流道是弯曲的,流体在流动过程中受到离心力作用,流动结构发生变化,使得涡旋微槽中的流动和换热性能与平直微槽相比表现出很大的不同.这也使得涡旋微槽具有适应航空电子设备在变加速度环境下散热的潜力.使用液体工质的平直槽道在飞行器做机动飞行时,由于力学环境变化将可能造成散热条件的恶化(如工质脱离散热面).航空飞行器愈向高空高速发展,过载加速度的影响愈大,航空电子设备性能和可靠性的提高愈依赖于加速度环境下散热技术的发展.因此,对涡旋微槽的换热性能进行研究具有重要的学术价值和实际意义.

    1　涡旋微槽实验件结构及实验装置

    1. 1　涡旋微槽实验件结构

    涡旋微槽结构如图1所示, 6个涡旋槽采用微细加工技术在紫铜基板上加工得到.涡旋微槽试件的几何尺寸见表1.试件结构如图2所示.盖板与涡旋槽基板之间采用聚四氟乙烯薄膜密封,防止液体工质在槽道间的窜流.进出口管焊接在盖板上.液体工质从进口管流入,沿涡旋槽流动4圈后从中心流出.在盖板侧面开孔与液体进出口相通,以便安装温度传感器,测量液体工质的进出口温度.在涡旋槽基板侧面距槽底1. 5mm处开了8个安装温度传感器的小孔(每个侧面2个孔),用来测量涡旋槽壁面温度. 8个测温点从进口处开始分别位于涡旋槽的0. 5π,π, 2π, 3π, 4π, 6π,6. 5π, 7π处.

                 

    1. 2　实验装置

    实验装置示意图见图3.实验系统由液体循环与冷却系统、加热与控制系统和参数测量与数据采集系统等组成.实验采用体积浓度30%的乙二醇水溶液为工质.工质从恒温水槽流出,由泵提高压力后分为两路,一路流经试件,另一路进入旁通回路,通过阀门调节流经试件的流量.该流量由金属管浮子流量计LZD-15测量,根据流量范围不同,选用了2个流量计.工质在涡旋槽进出口处的温度由K型热电偶测量,其探头直径为1mm,在涡旋槽下方布置的用来测量壁面温度的热电偶探头直径为0. 5mm,精度为±0. 5℃.测量信号经HP34970A高速数据采集系统传输到计算机中.两根直径6mm的加热棒为实验提供恒热流密度加热.加热棒由可调节功率电源DH1716A-13为其供电.

                    

    2　数据处理与误差分析

    2.1　De数

    文献[2-3]对水在圆截面螺旋槽道的流动研究中,首次对弯曲槽道的“二次流”进行了深入的理论分析.采用小曲率假设(即认为槽道直径d与螺旋中心线直径D相比为无穷小量)对动量方程和连续性方程进行了简化.在这个假设条件下,可用无量纲参数得到包括二次流和主流轴向流动的动态近似解,该无量纲参数为：

                   

    式中,Re为雷诺数,其特征尺度为d,表征流体流动过程中的惯性力与粘性力之比.这个无量纲数的后半部分开方就得到了De数,即

                   

    可见De数为惯性力与离心力和粘性力之比由于“二次流”是由离心力和粘性力的相互作用引起,所以De数是“二次流”强度的量度.取中心涡旋的曲率直径Dc作为涡旋槽的名义曲率直径.由于Dc是连续变化的,所以De数也是连续变化的.又本文研究的涡旋槽为矩形截面故式(2)中d应取为dh.对De数沿涡旋槽中心线进行平均,即取

                   

    为涡旋微槽中“二次流”强度的量度.其中,L为涡旋槽中心线的长度.

    2.2　对流换热系数

    换热量Q可由下式得出

    Q =ρqVCpΔT (4)

    式中,ρ为工质密度; qV为体积流量; cp为定压比热容;ΔT=Tout-Tin,为工质温升;Tin,Tout分别表示工质进出口温度.

                  

    式中,k为定性温度下工质的导热系数.以上各式中的物性参数均以工质进出口温度的算术平均值作为特征温度来计算.工质物性参数的计算公式由文献[4]中的数据拟合得到.

    2.3　误差分析

    实验中直接测量量有Tin,Tout,Tiw,qV等,间接测量量有h,Q,q等.通过对各测量量进行不确定度分析可得[5], h的不确定度为U (h ) /h≤28.3%,q的不确定度为U(q) /q≤25.4%.

    3　实验结果分析

    3.1　流速对涡旋微槽换热性能的影响

    实验中通过改变qV来分析流速对换热性能的影响.图4a、图4b分别为试件1在不同qV下的q-Tw和h-Tw曲线图.由图4a可知,在q相同的情况下,qV增大,将使Tw降低.Tw相同时, qV增加,可以使q大幅增加.特别在Tw较高时,效果更为显著.由图4b可知,对同一试件, qV增加,可以大幅提高h.

    其他试件的实验结果,也有相同规律.但增大qV,需要泵提供更大的压头.对涡旋微槽,由于流动阻力较大,在实际使用中需对提高槽道换热能力与克服微槽流动阻力进行综合权衡来确定qV.

    3.2　γ对涡旋微槽换热性能的影响

    对不同试件在qV接近、恒温水槽温度相同条件下的换热性能图叠加,进行对比.图5a和图5b给出了3个不同试件在恒温水槽温度为20℃时的q-Tw和h-Tw曲线图.

                 

    由图5可知,在恒温水槽温度相同,qV相近以及相同的Tw下,3个试件的q相差不大,但是h相差较大,以试件2的最大,试件4的最小.这是由于随着γ的增加,试件的dh增大,使得同样流量下流速降低,h减小,而γ的增加却使Aw增大.由于实验中3个试件的Aw1均相同,由式(5)可知,q只随Q变化.又由式(6)可知,Q∝h且Q∝Aw.

    综合试件在其他流量下的实验,可得出相似的规律.可见,为了满足一定热流密度的散热要求,在其他条件相同的情况下,可选择γ大的试件,此时h较小,流动阻力也较小;也可选择γ小的试件,此时h较大,流动阻力也较大.

    3.3　De数对涡旋微槽换热性能的影响

    由式(2)可知,流速和dh是De数中重要的两项,在微槽宽度相同时,dh仅与γ有关.本文实验研究所用试件的基圆直径、槽宽和涡旋节距均相同,故De数对涡旋微槽换热性能的影响主要体现在流速和γ对换热性能的影响.这两项的影响,可由以上分析得出.需要指出的是,微槽节距相同,槽道宽度不同则Dc不同.这将对涡旋微槽中的“二次流”产生重要影响,对涡旋微槽的换热性能也会产生重要影响,有关这方面的研究将在后续工作中进行.

    3.4　涡旋微槽强迫对流换热实验关联式

    为进一步得出涡旋微槽单相对流换热性能与其影响因素之间的数值依变关系,综合考虑工质物性、微槽结构等的影响,得出如下关联式：

               

    式中,Pr为普朗特数.De数、Pr数的定性温度取工质进出口温度的算术平均值.式(9)的全相关系数R= 0.968,剩余标准差S=0.072.

    3.5　涡旋微槽与平直微槽换热性能的对比

    文献[6]对质量浓度为66%的乙二醇水溶液在矩形微槽中的换热性能进行了实验研究,并得出实验关联式.由于所用微槽截面及所用工质和实验条件均与本文接近,故用以作为对比.图6为平直微槽实验关联式,涡旋微槽实验结果和涡旋微槽实验关联式的Re-Nu图.可见,涡旋微槽的换热性能要优于平直微槽,尤其Re数较大时,优势愈明显.

                

    微槽实验关联式的Re-Nu图.可见,涡旋微槽的换热性能要优于平直微槽,尤其Re数较大时,优势愈明显.

    4　结　论

    以30%乙二醇水溶液为工质,对涡旋微槽换热性能进行了实验研究.主要结论如下:

    1)工质流速、微槽结构对涡旋微槽换热性能具有重要影响,实际应用中需综合考虑换热性能与流动阻力间的匹配;

    2)对所研究的矩形涡旋微槽,给出了单相强迫对流换热实验关联式;

    3)与平直微槽换热性能进行对比,表明涡旋微槽换热性能优于平直微槽,Re数越大,差别越明显.

    从实验结果可以看出,以30%乙二醇水溶液为工质,在60℃左右的壁温下,可以实现120W /cm2以上的较高热流密度的单相对流换热,满足中高强度电子元器件的散热要求.

参考文献(References)

[1]过增元.国际传热研究前沿———微细尺度传热[J].力学进展, 2000, 30(1): 1-6

[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]刘光启,马连湘,刘杰.化学化工物性数据手册(有机卷)[M].北京:化学工业出版社, 2002

[5]陈虹夜,曹钢,卢军.物理实验中不确定度的估算[J].山东轻工业学院学报, 2002, 16(3): 73-76

[6]朱恂,辛明道.微小槽道散热器流动与换热实验研究[J].重庆大学学报, 2003, 26(6): 70-72, 77(责任编辑:赵海容)