逆向纳米流在矩形微通道换热器中强化传热数值研究

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1、逆向纳米流在矩形微通道换热器中强化传热的数值研究逆向纳米流在矩形微通道换热器中强化传热的数值研究H.A.Mohammed,G.Bhaskaran,N.H.Shuaib,R.Saidurb马来西亚，雪兰莪州，加影市43009，JalanKajang-Puchong7公里，国能大学，工学院，机械工程部门马来西亚，吉隆坡50603，马来西亚大学，机械工程部门文章信息文章发表记录：2010年10月25日被接受2011年3月17日修订后被接受2011年6月9日被公认2011年6月28日网上可查关键词：数值模拟矩形微通道换热器纳米流体强化传热摘要本文主

2、要叙述一种数值分析方法用来分析用纳米流体作为工作介质的逆向矩形微通道换热器的换热性能。在铝制微通道换热器换热研究中，常用有限元分析方法来解决三维稳态，层流和耦合等传热的情况。本文研究的纳米流体分别采用,,,,和作为介质，并比较与水作为换热介质的换热性能。通过使用不同的纳米流体介质，不同的雷诺数和不同纳米流体浓度，来分析微通道的换热量，流场以及换热性能。温度分布，换热系数，压力分布，以及壁面剪应力通过模拟仿真获得，换热性能主要通过热流量，泵功率，效率以及换热性能指标来讨论。结果表明，纳米流体的运用可以强化换热和造成轻微的压力损失。雷诺数的增加

3、，使得热流量增加，也使得冷流体整体平均温度的下降。纳米颗粒浓度的增加也可以产生更好的传热性能，但是会造成压力的下降。2011ElsevierLtd.版权所有1.绪论在能源的节约，利用和回收领域发挥着重要作用。随着微型技术的发展和对更高效的设备的需要，小尺度和微尺度的器件被证明是有益的和高效的。微通道换热器在工业上获得广泛应用，例如微电子，航空航天，生物医学，通讯和汽车等领域。主要有两方面的因素限制了微通道换热器的换热系数，一方面是通道尺符号表A通道横截面积（）比热容（）水力直径（m）（）h换热系数（）H,L,w换热器的高，长，宽（m）K导热

4、系数（）流体导热系数（）克努森数质量流量（）MCHE微通道换热器n通道数P功率（W）P压强（Pa）无因次压强（）Po泊肃叶数Pr普朗特数Q体积流量（）q热流量（W）Re雷诺数（）Nu努塞尔特数（）T温度（K）u,v,w在笛卡尔坐标系中速度表示U,V,W在笛卡尔坐标系中无因次速度表示x,y,z在笛卡尔坐标系中方向表示X,Y,Z在笛卡尔坐标系中无因次坐标表示希腊符号密度（）效率运动粘度（）纳米颗粒的体积分数无因次温度（）无因次剪应力工作性能指数下标bf基液c冷流体ch通道f流体h热流体i入口nf纳米流体o出口p颗粒sw挡板w壁面寸的减小使得压力

5、下降；另一方面用过的导热流体限制了热流量总量。热量传递速度主要取决于通道表面积与体积比，也就是说通道尺寸越小，换热更高效。这是因为对于定壁温来说，努塞特数在充分发展段为定值3.657。将努塞特数值3.657代入换热系数计算公式得，由此看来，直径越小，换热系数越大，换热效率也就越高。基于此，大约在20年前Tuckerman和Peace[1]提出用微通道散热器件集成大型线路可以获得更好的冷却效果。从那时起，越来越多的研究成果显示使用微通道冷却装置可以获得更好的换热效果。Hasanetal.[2]用数值模拟研究了微通道水冷换热器换热效果的影响因素

6、。他们研究了不同的换热器形状的对换热效果的影响，例如圆形，方形，矩形，三角形和不规则四边形。研究表明，减小每个换热通道的体积或增加换热通道会增加热流量，但也会增加所需泵功率和减小压力。考虑到热力和水力因素，他们发现，圆形的通道的各项性能指标最好。Yeneretal.[3]对微通道进行单相强制对流实验。根据实验做以下推测：（i）在微通道换热中，对流换热与常规尺寸的通道不同，换热效果的好坏取决于克努森数，普朗特数，贝克莱数和长宽比；（ii）由于微通道对流换热中，微通道液体是连续流态，因此N-S方程在微通道中也是适用的；（iii）在微通道几何形状

7、中，矩形微通道换热器的水力直径和长宽比对单相流对流换热特性有重要影响；（iv）通过紊流并不能减少总热阻，因为紊流需要更大的泵功率，从而抵消了整个热力性能的少量增加，所以在微通道换热中，层流显得尤其重要；（v）通过观察流体的连续流动偏离状态可以得出努塞特数或克努森数的减少情况。Al-Nimretal.[4]通过使用连续性研究方法，在光滑边界层条件下用数值模拟出微通道换热器中充分发展段热力性能。他们在研究中主要考虑了克努森数，热容比，效率和传质效能单元数。结果表明增加克努森数会使速度出现滑移，也会使壁面温度跳跃增加。传质效能单元数（NTU）的增

8、加会增加换热器的效率，然而热容比的增加会导致效率和克努森数减小。BayraktarandPidugu[5]研究了微通道射流系统中流体的特点。他们得出结论，大部分研究对于压力损失和