不同参数及工况对流体流动换热的影响毕业论文x

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1、第1章绪论1.1研究的背景及意义现代高科技的发展越来越倾向于关注那些发生在小尺度和快速反应过程中的现象及其相应器件上。对二十一世纪的人类来说，这不仅仅是一个科学技术突飞猛进的时代，更意味着引领世纪高端的挑战。虽然微流体器件和微小传热器件的商业化过程仍然处于发展时期，但是它所具备的那些优势——体积小，重量轻，日渐引起研究者的青睐。目前微尺度的应用正处于积极的探索之中，基于人们对微尺度的基本传热和流动过程中的理论和实验技术的与日俱增的需求，系统也会变得越来越复杂，而研究者们也正积极开辟其新的工程应用和市场。1.1

2、.1微通道的研究背景早在1959年，物理学家RichardP.Feynman在美国物理协会上宣读的一篇经典论文“There’sPlentyofRoomattheBottom[1]”，在预言出设备和系统微小型化的同时也奠定了微通道发展的立场。在此基础上应运而生的微米/纳米技术(Micro/NanoTechnology)蓬勃发展的同时也建立起以微米/纳米技术为基础的微系统(MicroSystems)，它是集微结构、微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、接口、微能源等于一体的，但是都有一个共同特征——物质和能量的

3、输运均发生在有限的微小结构内，并且其特征尺寸都仅在1um至1mm之间。物质的输运和相互作用的过程是避免不了流动和能量转换现象的，而且任何不可逆过程中能量的耗散有一部分都是以热的形式体现的，并且化学反应或相变过程中的任意分子重构也必然涉及到与周围环境的能量交换问题。因此，对于所有微系统的设计和应用来说，全面了解微系统在特定尺度内微机电性质及材料的热物性、热行为等已经成为迫在眉睫的任务。1.1.2微通道的发展在微系统积极应用的前景下，微通道换热器应运而生。微通道换热器是一种具有传热温差小、传热效率高、结构紧凑以及

4、冷却性能好等众多优点的新兴强化换热装置。1981年，Tuckerman和Pease首次在硅制VLSI(VeryLargeScaleIntegration)芯片上蚀刻了微通道热槽，构造出了第一个由单个或多个并联微通道组成的微通道换热器(microchannelheatsinks或microchannelheatexchangers)，这为电子器件的冷却提供了一个35全新的思路，同时也将有关微尺度下流体流动和换热特性的研究——“尺寸效应”引入了传热界。“尺寸效应”是指由于微小尺寸引起的不同于常规物理尺寸的传热传质

5、和流动效应的现象。当研究对象的物理尺寸小到一定程度时，也就是微尺度条件下，热现象会出现一些不同于常规尺寸下的新特征——热流密度大以及热惯性随尺寸的减小而减小。一般情况下，物体的热惯性大致正比于尺寸的3次方，所以当器件尺寸减小时，其热惯性也将显著下降。正因为如此，热惯性减小，使得在常规尺寸下很难实现的过程却可以在微尺度下短时间实现。微通道通常都加工在微电子器件基底材料的背面，微流体流经微通道并以对流换热的方式来去除微电子器件所产生的热量。现在微通道换热器已在超大规模集成电路、超导电机、电子、航天、制冷、化工以及

6、生物工程等诸多领域得到了广泛的应用。随着电子计算机容量和速度的快速发展以及导弹、卫星和军用雷达对高性能模块和高可靠大功率器件的要求，对器件特征尺寸的要求是越小越好，已从微米量级向亚微米量级发展，而且器件的集成度自1959年以来每年以40%-50%的速度高速度递增。到80年代中期，每一个芯片上已经有106个元件，虽然每个元件的功率很小，但这样高的集成度使热流密度高达，它已经相当于飞行器返回大气层高速气动加热形成的高热流密度。90年代以后，在微米/纳米技术迅速发展的背景下，器件构件尺寸的减小以及功率密度的增大，使

7、得传统的流体力学和传热学面临着严峻的挑战。1.1.3微通道的应用微通道换热器是一种借助于特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元。目前最直接的分类方法是按照水力当量直径的尺寸来划分的。通常将水力直径小于1mm的换热器成为微通道换热器。与传统散热技术相比，微通道换热器具有高效、优良等传热性能，所以自提出以来一直是关注的焦点。微通道换热结构如图1所示，是由高导热系数材料（如硅）构成的。微通道换热性能远远优于传统的换热手段，正由于这种优势，已经引致其成为散热技术领域的高关注点。而且微通道换热器已

8、在超大规模集成电路、航空技术和制冷等方面得到广泛的应用。35图1微通道换热器的基本结构(1)集成电路的散热问题微电子器件的可靠性对温度十分敏感，当器件温度在范围时，其每增加1，它的可靠性就会下降5%。因此，随着集成度快速增长而日益迅速发展的高性能电子器件冷却散热机构正处于不断优化的阶段。例如核心频率为的PentiumIV处理器，在热耗散为，热流密度约为，芯片能够稳定工作的前提下，系统所允许的最高温度