潜热型功能热流体在微结构中流动换热机理研究

Micro-structured cooling is difficult to be widely used due to the costly pumping power as a result of volume constrains. Whereas the replacement of latent functional thermal fluid with the conventional fluids is able to improve the heat exchange performance of unit mass of working fluid, and thus reduce the pump power. This project intends to study the latent functional thermal fluid flow and heat transfer characters in the micro-structure via both experiments and numerical methods: (1) The flow characteristics of microcapsulated phase change particles in the micro-structure and its interaction with the micro-structure are viewed and analyzed using the visual observation method; (2) Using the infrared thermal imager and thermocouple, study the heat transfer characteristics of microcapsulated phase change particles in the micro-structure and the effect of the concentration of the different phase change materials, Re number and the particle size of the microcapsules and summary the heat transfer performance. (3) Based on the experimental studies, the numerical analysis is implemented to study the impact of "Micro-convection effect" which is caused by the shear rate and viscous gradient factors , the phase transition within the microcapsules, the microcapsule wall thermal resistance and the micro-structure scale and the mechanism of latent heat functionally thermal fluid flow in the micro-structure.The above study can offer the theoretical support for the future research on engineering applications of the latent heat functionally thermal fluid flow in micro-structure.

由于体积限制而导致的巨大泵功消耗使得微结构冷却方式很难被推广。如果在微结构冷却中采用高表观比热容的潜热型功能热流体代替常规流体，那么在相同的散热量下工质流量就会减少，泵功就可能会降低。本项目拟通过实验和数值模拟的方法，研究潜热型功能热流体在微结构中流动和换热机理：（1）采用可视化观测方法，观测并分析相变微胶囊颗粒在微结构中的流动特性及其与微结构相互作用的现象；（2）运用红外热线仪和热电偶等工具观测温度场变化，研究不同相变材料浓度、流体的Re数，微胶囊颗粒大小对潜热型功能热流体的流动和换热特性的影响并分析总结换热特性；（3）在实验研究的基础上，运用数值分析的方法研究由剪切速率梯度和粘性梯度等因素导致的"微对流"效应、微胶囊内相变过程、微胶囊壁面热阻和微结构尺度效应等对潜热型功能热流体在微结构中流动换热的影响机理。通过上述研究，为将来潜热型功能热流体在微结构中的工程应用提供研究基础和理论支持。

在众多的大功率电子设备冷却微结构冷却技术中，微结构冷却技术由于其流体掺混速度快、换热系数大、换热量高、易封装等特点已被证实是传热性能最佳且最具应用前景的冷却方式之一，本项目在将微结构冷却中常用的工质替换为高表观比热容的潜热型功能热流体，并进行了相关理论和实验研究，具体如下：（1）构建了基于确定表面粗糙结构形状的PML模型研究微结构表面粗糙度对槽道内流动特性的影响，并和3-D数值模拟结果进行对比， PML模型模拟结果和3-D模拟结果符合性较好，通过该模型计算发现当表面粗糙单元高度一定时，单位长度压降随Re数的增加而线性增加，但较Poiesullie流压降要大。当Re数一定时，单位长度压降随相对粗糙高度的增加成二次方关系。（2）配置不同浓度的潜热型功能热流体，并进行相关热物性测试和计算，搭建了潜热型功能热流体换热实验台，并对微细圆管、平行矩形槽道和针肋槽道内的换热特性进行了实验测试，发现潜热型功能热流体可以很好改善微结构的流动换热特性，相对与传统工质水而言，最高壁面温度可降低35.6%，换热强化比可达16.3%，获得了相变材料的浓度、流体的Re 数等因素对潜热型功能热流体的换热特性的影响，总结潜热型功能热流体在微结构中换热的经验关系式；（3）通过数值计算和实验研究，建立了“基于确定潜热量的阶梯型等效比热容模型” 的构建方法以及最佳的阶梯数量确定方法，并同已有的不同形状比热容模型和实验结果进行了对比，发现该模型的预测结果较好；（4）采用颗粒轨道模型，将流体看作连续相，将相变微胶囊颗粒相看作离散相，并基于微胶囊内部换特点，将 “阶梯型等效比热容模型”以及微胶囊壁面热阻模型进行应用，建立相关流动和传热模型，分析壁面热阻对换热的影响。上述实验和数值研究结果，构建了微结构内潜热型功能热流体流动换热特性的基本框架，为将来潜热型功能热流体在微结构中的工程应用提供研究基础和理论支持。