1、隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,微型化、高集成度、大功率電子器件得到了越來越多的應(yīng)用。其熱可靠性指標(biāo)也越來越苛刻,這就對換熱器件的換熱能力、泵功消耗、溫度均勻性以及結(jié)構(gòu)的緊湊性提出了更高的要求。為此,本文深入研究了微細(xì)尺度下單相液體和潛熱型功能液固兩相流體流動和傳熱機(jī)理,以為高效微型傳熱裝置的研制提供理論基礎(chǔ)。
　　 實驗研究了2.0mm管徑細(xì)小圓管內(nèi)的單相液體流動傳熱特性。層流流動時,對流傳熱系數(shù)和Nu數(shù)基本保持不變,與常規(guī)尺度下的經(jīng)

2、典值基本一致；臨界區(qū)內(nèi),對流傳熱系數(shù)和Nu數(shù)急劇增加,并且很快進(jìn)入湍流流動,在湍流區(qū)內(nèi)Nu數(shù)要比迪圖斯-貝爾特(Dittus-Boelter)關(guān)聯(lián)式、格尼林斯基(Gnielinski)關(guān)聯(lián)式的預(yù)測值小,根據(jù)實驗結(jié)果,基于已定準(zhǔn)則的冪函數(shù)形式給出了描述細(xì)小圓管內(nèi)單相液體湍流換熱Nu數(shù)的定量關(guān)系式。
　　 實驗研究了潛熱型功能液固兩相流體在2.0mm管徑細(xì)小圓管內(nèi)的流動與傳熱特性。與單相液體相比,相變微膠囊顆粒的加入會使得流動壓降增

3、大,但隨著流量的增加,兩者的差異逐步縮小;由于相變材料吸收熔化潛熱,使得實驗段出口溫度以及壁面溫度低于相同條件下的單相液體;不同于單相液體,在整個實驗工況下潛熱型功能液固兩相流體的Nu數(shù)并未呈現(xiàn)分區(qū)現(xiàn)象；實驗結(jié)果證明了相變微膠囊顆粒的加入可以有效強(qiáng)化傳熱,尤其當(dāng)流動狀態(tài)為層流時,潛熱型功能液固兩相流體的Nu數(shù)可達(dá)單相液體的2-4倍。
　　 基于Eulerian-Eulerian雙流體模型,對細(xì)小圓形通道內(nèi)潛熱型功能液固兩相流的傳

4、熱特性和熔化特性開展了數(shù)值模擬研究。分析了Re數(shù)、顆粒濃度以及壁面熱流密度對傳熱及熔化特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),通道內(nèi)潛熱型功能液固兩相流體可分為三個區(qū)域,即非熔化區(qū)域、熔化區(qū)域和完全熔化區(qū)域。在非熔化區(qū)域內(nèi),兩相溫度均低于相變材料的熔化溫度,微膠囊顆粒與周圍流體之間發(fā)生顯熱交換;當(dāng)溫度達(dá)到相變材料的相變溫度時,相變微膠囊顆粒內(nèi)相變材料開始熔化,此時顯熱交換與潛熱交換共存；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高,微膠囊內(nèi)相變材料完全熔化,相變終止,兩相溫度繼續(xù)升

5、高,又轉(zhuǎn)變成顯熱交換。輸運(yùn)流體相在通道入口處即形成熱邊界層,而固體顆粒相在進(jìn)入通道一段距離后才形成熱邊界層；熔化區(qū)域沿流動方向逐漸向通道中心處延伸。
　　 Re數(shù)、微膠囊顆粒濃度及壁面熱流密度對通道內(nèi)相變材料的熔化特性存在較大影響。隨著Re數(shù)的增大,近壁處和中心處的熔化起始點(diǎn)和終止點(diǎn)均朝出口處移動,相變區(qū)間得到了擴(kuò)展。隨著濃度的增大,近壁處的熔化區(qū)域起始點(diǎn)和終止點(diǎn)基本保持不變,而中心處熔化區(qū)域的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)則逐漸朝出口方向移動

6、,且熔化區(qū)間逐漸變長；隨著壁面熱流密度的增大,相變材料熔化起始點(diǎn)和終止點(diǎn)皆趨于入口方向移動,對應(yīng)的熔化區(qū)間也逐漸縮短。隨著Re數(shù)和顆粒濃度的增加,壁面溫度分布的均勻性得到提高。不同于穩(wěn)定的單相液體充分發(fā)展對流換熱系數(shù),當(dāng)相變材料開始熔化時,潛熱型功能液固兩相流體的局部對流換熱系數(shù)呈緩慢增加趨勢,當(dāng)相變結(jié)束進(jìn)入完全熔化區(qū)域后又再次降低,直至趨于穩(wěn)定。
　　 運(yùn)用Eularian-Lagrangian方法建立了潛熱型功能液固兩相流體

7、中單個相變微膠囊顆粒在湍流場中的運(yùn)動與傳熱模型并進(jìn)行了數(shù)值計算。重點(diǎn)討論了相變微膠囊顆粒粒徑、密度、入口位置等參數(shù)對顆粒運(yùn)動與熔化特性的影響。獲得了相變微膠囊顆粒在湍流場中的軸向速度分布、徑向脈動速度、運(yùn)動軌跡以及熔化特性。數(shù)值模擬結(jié)果表明,由于受到流體的作用,相變微膠囊顆粒產(chǎn)生了徑向脈動速度,但要小于主流脈動速度,在入口端變化比較劇烈,然后逐漸趨緩；當(dāng)顆粒直徑較小且密度與流體密度接近時,可呈現(xiàn)有較好的流體跟隨性；圓管中心處的顆粒溫度較