纳米流体在分形微通道中的流动与换热特性研究

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随着微电子技术的高速发展，电子芯片的功率和集成度日益增长，微型元件系统内的热流密度非常大。传统的冷却方式已经不能满足高热流密度电子器件的散热需求，为使电子器件的工作温度保持在允许范围内，设计新型高效的冷却散热装置成为一个亟需解决的问题。分形树状微通道是受仿生原理启发而研制的一种新型热沉结构，具有较强的传热传质能力。将其应用于电子芯片的冷却与传统平行微通道热沉相比，具有压降小、热阻小、温度分布相对均匀的优点；而新型的换热工质纳米流体在一定条件下具有较高的导热系数；将纳米流体与分形微通道相结合为解决高热流密度芯片的冷却问题提供了一个良好途径。为研究纳米流体在分形微通道中的流动与换热特性，设计并加工了初始通道长为7.11 mm，水力直径为360 μm的分形微通道热沉；在雷诺数为80~700范围内，分别以TiO2、Al2O3纳米流体和去离子水为冷却工质在分形微通道热沉中进行实验。并从努塞尔数、压降、热阻、摩擦阻力系数以及强化传热因子等方面研究质量分数为0.01%~0.15%时TiO2、Al2O3纳米流体在分形树状微通道中的流动与对流换热特性。研究结果表明：分形微通道热沉的底面温度分布均匀，具有较好的均温性；纳米流体在分形微通道热沉中能有效降低底面温度，提高其均温性，相比去离子水底面温度降低了3~5.4 ℃；分形微通道中Al2O3-水纳米流体的努塞尔数为去离子水的 1.32~1.67 倍，TiO2-水纳米流体的努塞尔数为去离子水的 1.56~1.99 倍，质量分数的提高可以强化纳米流体的对流换热效果，但同时也增大了纳米流体的流动阻力，导致纳米流体压降的增大；另外，纳米流体在分形微通道中的系统热阻均小于去离子水。 TiO2与 Al2O3两种纳米流体在分形微通道中的强化传热因子均大于 1，两者的强化换热效果显著；强化传热因子随着雷诺数和浓度的增大而增大；随着粒子浓度的增加，强化换热因子增幅明显。纳米流体在分形微通道热沉的研究结果对于设计新型高效散热器具有重要的意义。

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作者
王帅;
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作者单位

东北电力大学;

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授予单位东北电力大学;
学科动力工程
授予学位硕士
导师姓名孙斌;
年度 2018
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类废物处理与综合利用;航空发动机（推进系统）;
关键词
纳米流体; 分形; 微通道; 流动与换热;

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