复杂结构微通道内流体流动及沸腾传热特性研究

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1、中文图书分类号：TK124密级：公开UDC：621.1学校代码：10005博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：复杂结构微通道内流体流动及沸腾传热特性研究论文作者：李艺凡学科：动力工程及工程热物理指导教师：夏国栋教授论文提交日期：2017年3月UDC：621.1学校代码：10005中文图书分类号：TK124学号：B201305007密级：公开北京工业大学工学博士学位论文题目：复杂结构微通道内流体流动及沸腾传热特性研究英文题目：FLUIDFLOWANDBOILINGHEATTRANSFERCHARACTERISTICSINMICROCHANNELSWITHCOM

2、PLEXSTRUCTURE论文作者：李艺凡学科：动力工程及工程热物理研究方向：强化传热传质理论与工程应用申请学位：工学博士指导教师：夏国栋教授所在单位：环境与能源工程学院答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学DissertationSubmittedtoBeijingUniversityofTechnologyforDoctorDegreeofEngineeringFluidFlowandBoilingHeatTransferCharacteristicsinMicrochannelswithComplexStructureLIYifanSupervisedbyProfe

3、ssorXIAGuodongMajorinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsBeijingUniversityofTechnologyMarch,2017独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：2017年月日513关于论文使用授权的说明本人完全

4、了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：日期：2017年月日513导师签名：日期：2017年月日513摘要摘要近年来，随着微加工技术的迅速发展，以微通道为主体的微型设备和系统相继出现，如微型换热器、微混合器、微分离器、微阀、微泵等，微尺度流动和传热已经引起国际学术界的广泛关注。在微电子技术领域，高热流密度微型器件的散热量已经接近l07W/m2量级，简单结构的微通道热沉已经无法满足冷却需求。在生物化工领域，微流

5、控系统作为微电子机械系统的重要分支发挥着越来越重要的作用。微流控技术通过构建微通道系统来实现各种复杂的流体操纵功能。改进微通道结构能够提高微尺度下流体的混合性能、控制微液滴的生成过程，对微流控芯片的设计和应用有重要意义。本文针对微通道内流体的流动、传热及混合问题，一方面，提出了新型复杂结构微通道热沉，研究了该热沉内单相流体流动及传热特性，并对热沉的几何结构进行了优化；另一方面，对微通道热沉内的流动沸腾特性进行了实验研究，分析了不同类型微通道热沉内的沸腾流型、传热性能、压降及散热面温度特性，揭示了复杂结构微通道热沉强化沸腾传热、抑制流动沸腾不稳定性的机理。此外，还研究了微通道结构对流体

6、混合性能及微液滴生成过程的影响。从而为微通道热沉和微流控芯片的优化设计提供指导。主要包括以下几方面内容：首先，为了进一步提升低雷诺数下凹穴型微通道的传热性能，在凹穴型微通道的中心位置处均匀布置针肋，形成了凹穴和针肋组合式微通道。通过对比矩形微通道，三角凹穴型微通道，矩形针肋型微通道、三角凹穴和矩形针肋组合式微通道，分析了凹穴和针肋组合结构对流动和传热的影响。利用熵产最小化原理分析了新型微通道热沉强化传热的原因。模拟结果表明：凹穴和针肋增加了微通道的传热面积，对通道中心主流流体产生了扰动，形成了局部混沌对流，减小了凹穴处的层流滞止区，具有显著的强化传热效果。凹穴和针肋组合结构能够减小传

7、热不可逆性，提高热沉的传热效率。其次，研究了凹穴和针肋的几何尺寸及形状对微通道内流体流动和传热特性的影响，并对不同结构微通道热沉的综合性能进行了评价。模拟结果表明：针肋的宽度影响其对流体的分离、扰动和阻挡作用；凹穴的宽度影响其对流体的喷射-节流效应；针肋的形状影响主流分离点的位置，从而影响针肋下游漩涡区的面积及通道的压降；改变凹穴形状能够改变凹穴收缩段与主流方向的夹角，从而影响凹穴内的漩涡区及通道的摩擦损失。改变结构参数能够进一步提高热沉的传热性能。再者，