高速旋转对微尺度通道流动和换热影响的机理研究

This project hopes to experimentally and numerically investigate the characteristics of fluid flow and heat transfer in microchannel with high rotating speed (n>500rpm, d>1m). The microchannel will be fabricated using MEMS technique; mechanism of strength heat transfer in microchannel with high rotating speed will be obtained in this application. The main work about this project is about: first, the influences of rotating conditions, roughness of surface, slip of boundary layer, size of channel, developing length and so on will be experimentally investigated in microchannel which the reference size is 10-100 micro meter; the results will be compared with the results under steady state. Second, the influences of rotating conditions, roughness of surface, slip of boundary layer, size of channel, developing length and so on will be numerically investigated; the new model about fluid flow and heat transfer in microchannel under rotating condition will be developed. At last, the mechanism of fluid flow and heat transfer in microchannel under rotating conditions will be obtained by comparing experimental and numerical results.

本项目主要是借助MEMS加工工艺，利用实验和数值计算相结合的方法，系统研究高速旋转状态下(转速大于500转/分钟，旋转半径大于1米) 微尺度通道内流动和换热特性，进而得到旋转状态下微尺度通道的强化换热机理。本项目主要包含以下几个方面：首先是借助MEMS加工工艺加工通道尺寸在10-100微米之间的微通道，通过实验方法研究在旋转状态下微尺度通道的流动和换热特性，通过对比静止状态下的数据，探究旋转速度、旋转方向、表面粗糙度、边界滑移条件、通道尺寸、发展段长度等对微通道内流动和换热特性的影响。其次，结合数值计算方法，在细致模拟流-固界面处流体温度场和速度场相互耦合作用的基础上，增加旋转浮升力、哥氏力等影响因素以及可能存在的边界滑移、温度跳跃等因素，建立能够准确预测旋转状态下微尺度通道换热特性的理论模型。最终借助该模型和实验，深入研究旋转状态下各因素对微尺度通道流动和换热的影响，最终得出旋转状态下的微尺度通道强化换热的机理。

微尺度通道的通道由于截面积小，可以在减少冷气流量的同时增大换热面积。微尺度通道在理论上相比于常规尺度通道对航空发动机涡轮高温部件有更好的冷却效果，被公认为具有应用前景的冷却技术而受到研究者的关注。本申请主要是借助MEMS加工工艺，利用实验和数值计算相结合的方法，系统研究高速旋转状态下微尺度通道内流动和换热特性，进而得到旋转状态下微尺度通道的强化换热机理。本申请主要包含以下几个方面：首先是借助MEMS加工工艺加工通道尺寸在10-100微米之间的微通道，通过实验方法研究在旋转状态下微尺度通道的流动和换热特性，通过对比静止状态下的数据，探究旋转速度、表面粗糙度、通道尺寸、发展段长度等对微通道内流动和换热特性的影响。深入研究旋转状态下各因素对微尺度通道流动和换热的影响，最终得出旋转状态下的微尺度通道强化换热的机理。.研究发现：1、流动方面：旋转状态下，摩擦因子f随Re数的增大而减小。在低Re数下，当通道的转速为0-500rpm时，其内部的流动会表现出受旋转效应和哥氏力的影响，导致进口压力会随转速的增大而增大；而随着Re数增大，旋转效应减弱，实验通道的压降随转速的变化不再明显。 .2、换热方面：旋转状态下，实验综合Nu数随Re数的增大而增大。在低Re数下，通道内换热受哥氏力的影响较明显，通道内的换热效率不均衡，而出现整体换热效率减弱的情况，而随着Re数增大，Ro减小，通道内受到的哥氏力影响不再明显，实验综合Nu数受转速的影响也不再明显。.3、微尺度通道中摩擦因子高于传统理论值，随通道长度增加而减小，随着粗糙度的增加而增加。 .4、微尺度通道中Nu数随通道长度增加而减小，随着粗糙度的增加而增加，随Re数增大而增大。 .5、微尺度通道中通道越短，换热性能越好。当微通道长径比不小于100时，进口段的影响可以忽略。.本项目的成果对微尺度通道强化换热机理的揭示提供了依据，为进一步探索和工程应用提供了支撑。