高导热微米级非磁性颗粒强化磁流体换热机理研究

Effective improvement of heat dissipation is the key technology in the development of microelectronic devices. Adding high thermal conductivity particles in fluids to enhance heat transfer is a hot topic in academic and engineering research. Especially, the subject of improving heat transfer by putting micro nonmagnetic particles (MNPs) with high thermal conductivity in magnetic fluids becomes an advanced project in the present engineering area, which dues to the efficient and controllable heat dissipation in magnetic fluids. Base on this idea, the present project will be carried out through a hybrid model coupling thermal lattice Boltzmann method (TLBM) and a self-correcting procedure of magnetic potential for multi-field coupling problems, where the immersed boundary method (IBM) will be adopted for fluid-solid interaction at the interface. The present research is focusing on the MNPs influence on fluid-solid interaction and heat transfer characteristic in magnetic fluids, in which the mechanisms of flow behaviors and heat transfer characteristic of fluid-solid interaction of adding MNPs with high thermal conductivity in magnetic fluids will be analyzed in details. The optimal control parameters for heat dissipation enhancement will be investigated by varying materials, particle sizes, shapes and concentration in simulations, which can help to get the technique for efficient heat dissipation of fluid-solid in magnetic fluids.

高效散热问题是影响微电子设备发展的关键技术。目前在流体中添加高导热率颗粒增强换热是学术和工程上研究的热点。磁流体的传热性能在磁场作用下高效可控，在磁流体中添加高导热率非磁性颗粒以强化传热是目前工程领域研究前沿课题。本研究针对此课题，拟采用热格子玻尔兹曼方法（Thermal lattice Boltzmann method, TLBM）结合磁标量势自修正磁场耦合模型及基于通过浸没边界法（Immersed boundary method, IBM），研究磁流体中流固耦合相互作用对其换热性能的影响，详细分析磁流体在磁场和温度场下高导热率微米级非磁性颗粒和磁流体的流固耦合流动及传热机理。通过改变颗粒材料、大小、形状和含量，探究增强换热的最优控制参数，以获得高效的基于磁流体流固耦合增强换热方法。

本研究以手机芯片等微电子设备的散热问题为研究背景，结合磁流体在磁场作用下高效可控的传热性能，对磁流体中添加高导热率的非磁性颗粒以强化传热的机理进行研究。对添加非磁性颗粒的磁流体多物理场耦合，采用了格子玻尔兹曼方法求解流场Navier-Stokes方程，有限差分法求解温度场能量方程，自修正求解器演化磁场标量势泊松方程。其中，磁标量势自修正求解器能根据颗粒位置的变动实时调整磁场分布，有效保证颗粒附近的磁通量密度连续和守恒。对颗粒动力学，结合浸没边界法和动量交换法获取流固耦合力，采用偶极力模型求解磁耦极力，根据Lennard-Jones 位势理论求取颗粒间的碰撞力。在研究中，探讨了以下内容：（1）对Rayleigh-Bénard自然对流传热提升方式进行探讨。首先系统地对该对流的稳态进行分析，得到努塞尔数Nu（Nusselt number, 表征传热效率）随着瑞利数Ra（Rayleigh number，表征温差大小）的增加而增加，并在传热模式由单涡转变为双涡的临界点（Ra3）处出现断崖式下降的特点。加入颗粒，在流固耦合作用下扰动流场分布，使在较高Ra的情况下出现单涡和双涡的双稳态传热模式。适当调整流固耦合作用，可以避免Nu在临界点（Ra3）的断崖式下降，从而提高对流传热效果。（2）在研究磁流体中非磁性颗粒组装问题时，对颗粒大小和浓度、磁透率比值、磁场强度进行调整，得到了不同的组装效率。发现颗粒的直径越小，浓度越大（体积系数小于30%）磁透率比值越大和磁场越强，颗粒更容易发生组装成链的现象。颗粒链结构出现单链、双链和三链结构。（3）最后，对磁性液滴在疏水表面上的铺展行为进行调控，并探讨了磁性液滴在磁场作用下的铺展机理和驱动机制。这些结果对磁场操控非磁性颗粒在磁流体中行为有了更深入的认识，促进磁流体颗粒操控技术在散热技术的应用。