基于納米流體的微通道熱沉數值分析

湖北工程學院物理與電子信息工程學院 張 靜

0 引言

納米流是一種基于納米粒子的新型的冷卻流體工質，其基本原理是將金屬粒子或金屬氧化物粒子(納米量級)與基本冷卻通過各種工藝安比例混合，使其成為具有較高導熱系數同時性能穩定的冷卻流體工質。目前，學術界對納米流這種冷卻工質的研究還處于探索階段，對于某些特性，例如特定納米流導熱效率異常變大等特性，可以進行部分解釋，但所采用的理論和經驗公式的適用范圍均比較有限。常用的納米粒子的模型包括了圓形，方形，三角形等。

1 物理模型

用于本文數值計算的熱沉模型如圖1所示，具體的幾何尺寸見表1。

圖1 熱沉物理模型

表1 熱沉對應尺寸

2 納米流體相關計算方程

本章節計算納米流的流動傳熱特性時采用的是單項模型[1][2]，特征方程如下所示。

其中SH(納米粒子形狀因子)，SH = 3；c(納米粒子的比重)；納米流，納米粒子，基本冷卻流體三者的熱導系數分別用knf，kp，kf表示；三者的密度用ρf，ρnf，ρp表示；三者的比熱分別用Cpnf，CPp，Cpf表示；μnf，μf表示納米流和基本冷卻流體的粘度。本文選取了兩種不同的冷卻液流體作為研究的對象。氧化鋁和氧化鈦作為基本的納米粒子，基本的冷卻液是水。本文分別對這兩種含有納米粒子的冷卻流體進行分析，計算了其含量從1%到6%變化過程中的流動及傳熱特性。

圖2 η隨不同納米粒子及其含量的變化關系

3 分析與討論

計算定義的初始條件為雷諾數，熱沉底面熱流，熱沉進口處溫度分別為546.9，106W/m2和300k，對Al2O3、TiO2兩種不同種類的納米粒子以及納米粒子含量的散熱特征做了數值計算。計算結果表明隨著納米冷卻液中納米粒子的濃度增加，對Al2O3-H2O來說，納米冷卻液的相對努塞爾數有增加的趨勢，對于TiO2-H2O來說，納米冷卻液的相對努塞爾數也會增加但趨勢相對平緩。而且在雷諾數相同的情況下，氧化鋁納米流其相對努塞爾數始終大于氧化鈦納米流相對努塞爾數。有兩個原因會導致這種現象的發生，首先，氧化鋁的導熱系數大于氧化鈦的導熱系數，應此隨著納米粒子在納米冷卻液中含量的增加，其對應的導熱系數也會增加；其次，納米粒子的加入使得納米冷卻液本身的結構發生了改變，熱能傳遞的能力在冷卻液內部得到增強。同時，從圖2可以看出，兩種不同納米冷卻液其綜合傳熱效率的變化，從圖中可以看出氧化鋁納米冷卻液的綜合傳熱因子始終大于氧化鈦納米冷卻液的綜合傳熱因子，同時增長率前者也要更大一些。

4 結論

本文對基于氧化鋁和氧化鈦的納米流的散熱效率進行數值計算，計算結果表明，基于氧化鋁的納米流比基于氧化鈦的納米流具有更好的導熱能力，而且當納米粒子的濃度增加后，熱沉入口和出口的壓損也會增加。

[1]Fazeli．S．A,Hashemi．S．M．H,Zirkzadeh．H,Ashjaee．M．Experimental and numerical investigation of heat transfer in a miniature heat sink utilizing silca nanofluid．Superlattices and Microstructures,2012,51(2)∶247-267．

[2]Moraveji．M．K,Ardehali．R．M,Ijam．A．CFD investigation of nanofluid effect(cooling performance and pressure drop)in mini-channel heat sink．International Communications in Heat and Mass Transfer,2013,40∶58-66．