小尺度流道换热器流动特性实验研究
徐绍琨 陈宝明 汲水 赵仕奇
(山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101)
摘要：在单相强迫对流情况下，对不同当量直径，流道截面形状分别为矩形或三角形的小尺度流道换热器，以水和乙二醇溶液为介质，进行实验研究，并与常规尺度流道换热器的流动特性进行比较，结果表明：小尺度流道内流动阻力系数低于常规尺度流道，矩形流道换热器阻力特性明显优于三角形流道换热器，流动阻力系数厂随当量直径的增大而增大，阻力系数与介质尸r数无关，小尺度流道内流体流动的临界雷诺数忍 在700—1200之间。。
关键词：小尺度流道换热器；流动特性；实验研究；临界雷诺数
中图分类号：TKI24 文献标识码：A
0 引言
电子系统朝微型化方向发展的速度越来越快，微小流道散热器以其散热强度高，外形尺寸紧凑等特点在电子元件散热领域与有广泛的应用前景。
近年来，许多研究者在此领域进行了大量的工作，Tuckennan等提出在芯片衬底背面采用微矩形结构流道，通以水采用强迫对流冷却，散热可达10 7W／m2量级。Wu和Little的研究结果表明：氮气的流动阻力系数厂高于经典的Moody曲线，且层流向湍流过渡Re=350，而换热特性的转变发生在Re=1000时。Pfahler[ 等对液、气体的实验表明：在已开展的层流流动中，(f·Re)值比大尺寸流道的理论值低。Peng等人发现：在单相强迫对流情况下，无量纲参数Z对流动阻力因子有很大影响，层流情况下当Z为0．5时摩擦因子或流动阻力都可达最小值，紊流流动阻力比经典理论预示值小，流动向充分发展紊流过渡的临界 数也比常规值小。大量事实表明：国内外微细流道内的流动和换热的实验研究尽管得到了关于舰数和压力损失等大量的实验数据，但不同研究者得到的实验结果存在一定的差异，甚至有的还存在许多定性和定量的矛盾随。故本文以实验方式探索小尺度流道中液体流动的特性，确定流道截面形状、当量直径及换热介质物性等因素对流动的影响，以期为应用到工程设计和实际生产奠定基础。
1 实验系统
图1为实验装置系统简图，共设计了七种不同型号的实验段，其几何和特征参数概述在表1、2中，图2为这几种流道换热器的结构简图，图3为小尺度矩形流道换热器流道结构示意图。实验时水箱充介质至80％水箱容积，水箱中的工质经水泵加压后经回流阀和调节阀分流后分为两路，一路经回流阀返回水箱；另一路经调节阀调至合适的流量后，进人实验段。介质的流量在实验段人口处测量，压力传感器及铠装铂电阻的测头分别安装在实验段的进出口，压力与温度传感器输出的标准信号输人到数据采集仪及PC机进行数据处理。
3 实验结果与分析
对表1、2中所列七种型号的流道形换热器分别以水和体积浓度为30％ 的乙二醇溶液为介质进行实验研究，并根据上述公式进行数据整理，做出产_船对数图进行分析比较，下面以部分实验工况为例，分析小尺度换热器的换热规律及影响因素。
(1)当量直径d 对厂的影响
图4为三种不同当量直径的小尺度三角形流道换热器以水为工质时实验所得的f--Re对数图，图5为四种矩形流道换热器以乙二醇溶液为工质时的f--Er舶对数图。可以看出：雷诺数 相同，厂随着当量直径的增大而增大，小尺度通道流动阻力系数远小于常规尺度通道。对实验段进出口压力的测试数据表明：在雷诺数相同的情况下，当量直径越小，进出口压差越大，即沿程阻力损失越大。故认为d以0<X<1的指数函数形式影响厂。
(2)工质Pr数对f的影响
图6、7分别为对矩形和三角形通道，以水和乙二醇溶液为介质，实验所得的产舶关系图，可以看出：32质的不同对产船曲线的影响较小，两种工质所得的f--Re曲线基本一致。故认为，阻力系数与工质尸r数无关。这也与Sadik Kakac 们所得结果一致。但Sadik Kakac等所提供的关联式计算值较本实验结果有一定的偏差。分析认为这可能与流道的表面粗糙度有关，当量直径越小，微机械加工的相对误差也越大，这有可能导致不同研究者的实验结果有所偏差。
(3)流道形状对厂的影响
图8,9分别为水和乙二醇为工质，两种不同流道形状的换热器的阻力系数厂与忍的关系图，由图可知，在其它条件相同的情况下，三角形流道的阻力系数比矩形流道有所增加，就本实验各种工况下增加幅度的规律还不明显，分析认为有关流道形状对厂的影响规律还应当结合长径比、高宽比、流道表面粗糙度等因素增和考虑。
(4)关于临界雷诺数Rec
实验结果表明，雷诺数较小时f--Re曲线斜率近似不变，随着雷诺数的增大， f--Re线斜率发生变化 如以上各图所示f--Re线为一曲线。分析认为这是由于流道内部流动状态发生了变化所致，即流动由层流向紊流转变，当流动状态为层流时，f仅是Re的函数，随着Re的增大，流道内流体的流动状态逐渐变为紊流，影响厂的因素也增多，关于紊流区内的流动阻力特性还有待进一步探讨。由本实验结果仅初步推断当Re范围从700～1200时，小尺寸流道内流体流动状态由层流向紊流转变。
4 结论
本实验分别以水和乙二醇溶液为工质，对单流道当量直径分别为0．55ram、0．91ram、1．38ram的小尺度矩形和三角形流道换热器进行实验研究，分析其流动阻力特性，所得主要结论如下：
(1)小尺度流道内流动阻力系数厂随雷诺数忍的增大而减小， 相同，厂随着当量直径d 的增大而增大，小尺度流道的流动阻力系数远小于常规尺度通道。阻力系数厂与工质Pr数无关。
(2)小尺度换热器的流道形状对阻力系数厂有显著影响，就本实验所研究的两种流道形状的换热器，三角形流道的流动阻力系数较之矩形流道有明显增加。
(3)小尺度流道中层流向紊流过渡的临界雷诺数Re 较常规尺度提前，其范围约为700～1200之间。
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