纳米流体微通道热沉冷却性能强化研究

纳米流体作为冷却流体可强化微通道热沉性能已得到学者的广泛认可和关注，但目前对纳米流体微通道热沉的实验研究十分缺乏，迫切需要积累相关的实验数据；现有模型均将纳米流体视为"单相流体"，通过在静止纳米流体导热系数上增加反映纳米颗粒热耗散效应的附加项描述纳米流体流动和传热的强化作用，使导热系数失去"热物性"本质；此外也未见采用更为符合真实纳米流体的颗粒离散两相模型的提出，这些都对纳米流体微通道热沉的建模提出了挑战。基于以上现状，本课题将选择几类典型的、有工程应用背景的纳米流体，重点开展其在微通道热沉中的流动和传热特性研究，积累和完善相关基础数据；深入分析纳米颗粒强化微通道热沉冷却性能的作用机理，在此基础上建立和完善纳米流体微通道热沉数学模型，发展基于反问题方法的微通道热沉结构多参数优化方法，开展纳米流体微通道热沉冷却性能的强化研究，为纳米流体微通道热沉的设计和开发提供参考依据。

本课题系统的进行了纳米流体微通道热沉性能的强化研究，共发表学术论文8篇，其中SCI检索论文4篇，EI检索论文5篇（含双检索），会议论文2篇。.传统的微通道热沉存在压降过高及冷却表面温度分布不均匀等缺点，此外其热阻也需进一步降低。为解决上述问题，本课题建立了完整的三维微通道热沉流固耦合数值模型，从采用新型的冷却工质和微通道的结构设计两方面入手，在不增加压降的条件下，降低热阻，并有效改善其温度均匀性。主要研究内容如下：.（1）选用导热系数更高的纳米流体作为微通道热沉的冷却剂，系统分析了纳米颗粒种类、粒径、体积分数、基液种类及热沉结构等关键参数对热沉性能的影响规律。在此基础上利用反问题优化法，在恒定泵功下，对纳米流体作为冷却剂的微通道热沉的通道数N、高宽比α及通道比β进行多参数同时优化。为纳米流体微通道的设计提供了理论基础.（2）基于传统的单层微通道热沉存在底面温度均匀性差的缺点，而双层或多层热沉结构的设计可有效改善其温度均匀性。故本课题以多层热沉结构为基础，首先研究了双层微通道热沉的流量分配及几何结构等的关键参数（通道数N、下通道高度Hc1、竖直肋宽度Wr、两个水平肋宽度δ1 、δ2及下通道流体入口流速uin1）对双层微通道热沉性能的影响规律。接着，采用参数递进发，在给定热沉底面积及热流密度的工况下，对关键参数进行单参数优化，得到各参数的最佳值。考虑到单参数法受到初值选择、优化顺序等影响，无法获得全域最佳值。故又采用简化共轭梯度法，以热阻为目标函数，进行多参数同时优化，获得性能最佳的双层热沉的设计参数。给实际应用中双层微通道的设计提供方向。在双层基础上又提出多层设计在保持通道数N、通道宽Wc、肋宽Wr以及通道总高度Hc不变的情况下，对热沉进行分层处理，采用单步法对双层、三层、四层热沉的各层流向、高度及泵功分别进行优化。结果表明优化后的多层热沉设计可有效改善底面温度均匀性差的缺点并且降低了热阻。.（3）对于改善微通道热沉压降过大的缺点，本课题提出了一种新型多孔肋微通道热沉，通过将微通道的肋板采用多孔介质的方式。利用通道与多孔肋板边界面产生的速度滑移效应有效降低通道内的压降。通过研究发现，采用多孔肋板的微通道热沉在不损失热阻的情况下，可有效改善微通道热沉压降过高问题，提高热沉整体性能。