微通道內單相及氣液兩相流動換熱數值模擬研究進展綜述

(南京工業大學 城市建設學院，南京 210009)

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微通道換熱器的工程背景來源于20世紀80年代高密度電子器件的冷卻和20世紀90年代出現的微電子機械系統的傳熱問題。隨著能源問題的日漸突顯，各國的經濟發展與微小器件的發展息息相關，換熱設備在滿足熱交換要求的前提下，需要向縮小體積的方向優化,以節約更多空間和能源[1]。隨著微型換熱設備的出現和普及，微尺度傳熱問題也成為換熱器試驗和數值模擬研究的重點。Tuckerman等[2]提出了如圖1所示的微通道換熱器，通過多個細微通道內的介質流動帶走電子芯片積聚的熱量，成功地解決了隨著科技發展、芯片集成度越來越高帶來的高熱流密度散熱問題。孫淑風等[3]研究了液氮在尺寸為0.55～1.5 mm 的微通道中流動沸騰的傳熱效果，發現狹窄通道的強制對流沸騰換熱對沸騰換熱具有強化作用，其中，液氮在狹窄通道形狀為弦月型的傳熱系數是常規尺寸管道的3～5倍，隨著狹窄的間隙尺寸的減少，換熱系數也得到提高。綜上所述，微通道換熱因其體積小、換熱效率高、耐壓性能強等特點被認為是最有發展前景的高熱流密度散熱技術之一。

圖1 用于芯片散熱的微通道換熱器結構[4]

迄今為止，流體在微通道換熱器中的流動狀況分析多以試驗方法及理論計算為主，換熱器數值模擬方面的研究相對匱乏，尤其是在微通道換熱領域。在試驗領域，微尺度傳熱研究的可視化技術仍然存在不足，受蒸汽氣泡等障礙物影響，無法準確觀測全尺度全過程的微觀現象。……