多端口矩形微通道冷凝传热性能研究开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

微通道中的流动冷凝过程在微热管、芯片实验室、微燃料电池和微型空天飞行器热控制系统等装置中有着广阔的应用前景,是当前工程热物理学科研究的热点之一。事实上,微通道中的流动冷凝过程是微热管、芯片实验室、微燃料电池和微型空天飞行器热控制系统中的关键热物理过程,研究微通道中的冷凝传热过程,对这些高新技术装置或部件的设计和优化运行,具有重要的指导意义。随着微电子等微器件的快速发展,微热换热系统的热负荷和强度急剧增加。微元件底部的温升对微器件的性能可靠性和寿命有着负面影响。例如,微热管具有优越的导热性能和恒热特性,使得微热管特别适用于微电子器件冷却和生物医学领域,而要对微热管进行优化设计,就必须掌握微尺度相变机理,特别是微尺度冷凝的机理。同时,与其他微通道相比,矩形微通道可提供更清晰的观测视野,在生物芯片等领域有着广泛的应用。

微通道换热器的应用比较广泛,微通道流动换热可以用于微热管、电子芯片

散热、紧凑式换热器、二氧化碳制冷系统、微燃料电池、传感器冷却、航空航天以及微电子系统冷却、二极管激光束、化学反应器等领域,研究微通道中的冷凝过程,具有重要的工程应用前景和学术价值。但是在微通道换热器的研究上目前相对常规通道的研究还是有所欠缺,而微通道中换热工质为制冷剂的研究又比较少。本课题希望通过模拟与实验的方法用ANSYS以及Fluent软件通过数值模拟的方法来达到分析预测多端口矩形微通道冷凝传热性能的目的,研究出一种最佳的状态,使得多端口矩形微通道冷凝传热性能达到最佳,满足实际工程的需要。当前的研究发现,矩形端口有着比常规形状更加优秀的传热性能。同时,端口效应的存在,使得改变通道数量对于冷凝传热也有着不可忽略的影响。例如,在微通道换热器中,比较十根和二十根的传热管的传热性能比较以及规律,可以得到一个最合适的数量,使得传热性能达到最佳。

2. 国内外研究现状分析

目前国内外对微通道中的单相流和沸腾流动已经有了比较深入的研究,但是对流动冷凝的研究却相当有限。微通道的报导最早由美国学者Tuckerman 和 Pease于 1981 年提出。此后,微通道的研究在功率器件散热方面受到广泛重视,针对各种微通道尤其是矩形槽内流动和传热成为近年来研究的重点,以微矩形槽为基础的换热设备在解决集成电路的散热、超导技术中的低温冷却、航空航天领域中的相关工程问题等应用中表现出非常乐观的应用前景。

国内研究现状:

郭伟林等人提出了一种新的冷凝排水概念,即在传统微通道的拐角处设置一个微型排水通道,以提高冷凝传热性能。通过这种微排水设计,将凝结水有效地拉入排水通道,从而降低了液膜厚度,提高了两相传热性能。

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3. 研究的基本内容与计划

研究内容:

(1)端口效应对冷凝性能的影响,运用ANSYS和Fluent进行数值模拟,通过改变通道口截面形状,数量及排布方式来对比冷凝结果,分析模拟数据的结果,得出矩形比之其他通道形状的优点。

(2)微通道流型对冷凝性能的影响,对比矩形微通道以及其他形状如圆形三角形等,来得出矩形微通道较之于其他截面形状的优势。矩形微通道与常规形状的不同之处

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4. 研究创新点

(1)矩形微通道可提供更加清晰的观测视野

(2)多端口矩形可调节数量和排布方式来影响冷凝性能

(3)选取矩形做端口形状,比常规形状有巨大优势

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