微矩形槽道内的受迫对流换热性能实验_辛明道.pdf

19 9月年5月第7 1卷第3期重庆大学学报J OURNALO FCHO NGQINGU NTVE R SI TYVol.1 7,附.3May.19 9 4研究简报微矩形槽道内的受迫对流换热性能实验ExPerimentsonFo reedCo nveetiveHeatTran sferPerfo rmaneeinReetangularMie roehan nels辛 明 道师 晋 生X inMingda oShiJin she ns(重庆 大学工程热 物理所,重庆,6 3 00 11)摘要对6种不同结构尺寸的微矩形槽道内的受迫流动阻力 与换热性 能进行了实验。结果 表明,试验条件下微 槽 内水流动 中从层流向湍流 转变的临 界雷诺数Re。1 40 0一180.0揭示出微 槽结 构尺寸对 流动 与换 热的影响,并由实验给出了层流区流动阻力 与换热 的经验关系式。关键 词微槽道;对流 换热;流 动阻 力;实验中国图书资料分 类法 分类号TK 1 2通ABSTRACTExPerimens tareCondu cte din6reea tngularmieroehan nelswithvariousstru etu r es 一z eso nfor ee df lowresisa tn e eand he attr a n sferPerformanee.Theresultsind ic atethattheeritie alReyn oldsn umb ertra n site dfr omthelamila rflowtoturbulentf low15equalto1 40 0一1 80 0u ndertheexPerimena tleond itionsforwae trflowinthemiero chan nels.Ef fees tofmier o ehan nelsturetur e凡 一zesonf lowr e 凡一 凡taneeandhe nttran sfera reshownuP.Thef lowresistan eeandHaetTran凡ferCorr eiato 一nsareobtaine dwithexPeri mens tinlam inarflowregion.K E YWORD Smieroehann el;eonveetiveheattr a n sfer;flowr esista n ee;exe primentn己生J.扭 二随 着 微电子元件 集成度的提 高,大规模、超 大规模 集成 电路要求 排散 的热 流日益 增加。由于元件工作温 度的 限制 散热温 差较 小.因此.热 障”已成为微 电子 没备问更高集成度发展的主要障碍之一。目前芯片散 热热流已超过2 0Wc/m.预 计9 0年代将 超过10 0wc/m2.因而探索高热流的新 传热 结构、传热方法.极为骸要。8。年代初.Tock erma n等厂一31提 出在芯片衬底 背面采用微矩 形结构 槽道.通以水冷却.最收芝,1明巾 全一O108国家自然科学 基胶资助项目1 18重庆大学学报149 9年高散热 能 力可达7 90w/cm2.引起 了微电子与传热领 域 同行的浓厚 兴趣。之 后有 类似的结 果发表一。就流 动状 态、阻 力和换 热特 性 而 言,微 尺寸 槽道同大 尺 寸通 道 规 律 是否一 致的问题,仅 有一些 初步的研 究卜,wu和i Lt tl e的 结 果 表 明,氮气的流动 阻 力系 数f高于经典的Mo c心y曲 线,且层流向 湍 流 的过 渡e R。3 50,而 换热 特性的 转变 发 生 在 e R_10 00时。fPh ale r等对液、气 体 的实 验 表明,在已开展的层流流动 中,(je R)值比大尺寸槽 道 的 理 论值低.因此,进一 步开展微 槽结 构通 道 内的 流动与换热研究有 重要 的 学术意 义和工程价值。1实验元件与实验装置1.1实 验元件微矩形槽 通道由 微槽 基 板和 盖 板 组成.微槽基板 结构见图1.微槽基 板 材料为紫铜,微 槽 由线切割机 床加工 成 形,6种不 同 微 槽结 构尺寸的实验元 件列入表1.微槽 加工 情度 为0.0 1m m,光 洁度为6级以上。微槽 基体 侧面 沿流动方 向 的有效 加热长度(乙一1 遭mm)上 钻5个巾0.8m m的小 孔,孔深为1 2mm,距 微槽 底 面之 下l.4m m,孔间距3m m,以装入热 电偶测 量和 推算槽底 壁温。图l微槽基板结构表l实验 微槽 元件的结构几何 尺寸元件号W。w。兀/伙叼W。.DwW产几,No.!0.150.2 50.54.456.0.2 57102428No.20.2 50.250.25203 5.783.0.39!0.3 00.2 50.9】95193卜2 53.0.4500.3 00.252 8.005.0.5 00OON NNo.50.300.2 52.No.60.300.252.1926.677.!925.9 39.0.5 250.540盖板用来封 闭 槽道以形成闭合通 道,盖板在加热 长度L的两侧 有进 出水 室,并与进 出水管 联 通.两水 室盖板 上分别 钻一小孔用来测取流 动 压差。盖板与微槽顶而组合时,其间有 一层0.1mm的聚 四氟乙烯薄 膜.微槽两端用密封胶封 闭.用压板阳螺栓 压紧。1.3实验装 置 与测 量实验 装置线路如图2所 示。图 中 未示明热 源具体结 构,电加热 件是下 圆上 方(矩 形:1 4mm丫1 0m m)铜棒.卜部用电阻丝 加热.以获取 大于S O Owc/mZ的矩形 项面的 高热流密度。考虑到 加热 件散热 的影响.微 腆通道 内的 枚热用称 暇法计髦冷却水流量.测 出进、出水温差而算出.对卜从板而 平l而 言的 卜 均热l成拼 度勺乍一心/,1土一(;”,(T,一T.)/月:(1)第1 7卷第3期微矩 形槽道内的受 迫对流预热性能 实验1 19流体和壁面温度均用镍铬一镍硅热 电偶测量,压 差用 水银差 压计测量。因为 微槽 底面和两侧面均 参予换热,其换 热 面积 为月:,相应 的平均 对 流换 热 系数为a心/AZ(T.一T了)(2)式 中T.为微槽底 壁面 的平均 温度;T,为冷却 水平均 温度,取进 出口水温的算术平均值。流动阻 力实验在冷态 下进 行,流动阻 力系 数为f=p/(2乙/D.)户,(3)单个微槽的当量水 力直 径D一2城盯(w。+h),水在微槽 内的平均 流速v用实测容积 流量算出。日日日日日日图2实验装置路线图蒸馏水箱;2水泵;3流量调 节阀;4过撼器;5徽槽实验件.6冷却器.7热 电偶;su型水银差压计;9温度转换开关,1 0冰瓶;日电位差计,1 2电源稳压器,13调压变压器2实验结果.21流动阻力特性冷态实验条件下,雷诺数 范围 为R。一。D.八18 0一40 00.流动 阻 力系数随 雷诺 数的变化 关 系表示在图3、4上。结 果表明.试件1和2的R。15 70,f一e R曲线 尚处于 层流 范 围;试件3一6的f一e R曲线走向发生 了变化,表 明流动状态已从 层流向湍流 过渡,转变临 界雷诺数Re。=1 40 0一18 00.+0 4f0410 0口No一;No.2;10 00八e图3流 动,子 粒丫;准十No.3;一圆管层 流进l 段I,/D一:l 1.2 510)120重庆大学学报19 9 4年为了同常用尺 寸 流道内的流 动特性比较,二 图上绘 出圆管层流进口段r,/D一3 1.2 5 和28时的理论计 算值l 0,同 相 同长 径比的No.3和No.4数 据比较 稍 有 出入。因为 本实 验 尚处于进口区.f一e R关系明显 地随曰D.和耐W。而变化,由实验 数 据在 层流区(R一40 0一14 00)整理得到流动阻力特性 的 下列关 联式:f=12.69(h/”。)一“7 95(L/D.)一o 3 2几e一o“B(4)绝 大多数实验 数 据落 在上 面关 联 式的士2 6%的范 围 内,见图.5。于卜U味,绪 冬、。十二F欠b、从方梦+气+卜盆介仪队沙。一”0 04Le s10 0只 9。J 七.图4流 动 实 验结果+No.3;又No.刁;0No.5;,No.6;一圆管层流进口段乙/n一28口o/二Z G协.05卜一2 6今少.01 e s0.。0.08图5流 动实验数据与关联式(们 的比较口N.oNo.2;+No.3;火No.4;CoNo.5;,No.6刀一I卫.69(If芦h)。2 7。舀(D*/乙)。“3R价一。5 62.2换 热特 性实验 范 围R。一2 50一 3 13 0.尸:一38.当进口水温7 i一1 7C时.T、镇1 2C而R。-19 6 0时对基板面积而 言的热流、一48 0wc/m2.可见微槽底面热流尚 可进一步 提高。实 验 中.因受加热件功率限制.,l镇48Owc/m卫.对月:面积而言的 平均 对流 换热 系 数所达至l J的 范围 为。一72自0一67672*c/mZC.、,一,j)/人一5.2一50.0.实验结l牡以Y1 1一f(娜八D,/乙)的形式表示 在3 I 6士二。为J1,.J大尺一槽道 内的换热比较.图匕绘 出正方形槽道进l段阳平行平板通道进J段哄流换热实验叫线,.其流!本为伪气。比较 人明二片卜J微摘通道 内的换 热 都有一定 篆异。试件36在 横坐标-l 端 的部分数眠能已,L、哄流j 川湍流过 渡。将本实验结果取30 0价1 10 0范围 的数据回 归整理得到本 实验条件下 的层流换 热第7 1卷第3期微 矩 形槽道 内的 受迫对流 预热性能 实验12 1关联式 为N。=1.51(Rep:D./L)“555(h/环。)一“65(户了/丙)“(5)少101 00l矛户I,刃j,八图6换热实验结果正00 0口No.I;No.2;+No.3;xNo.刁;0No.5;,No.a平行平板通道进口段l【;b正方形 槽道进口段 1 1干28佑图7换热实验 数据与关联式(5)的比较口No.l;No.2;+No.3;又No.刁;0No.5;,No.6,了1=1.51(脚p,几/兀)“55(h/。)一。3,5(刀f/解。)。”实验 数据与(5)式的比较表示 在 图7上,二者的偏差 在士2 8 佑 的 范 围内。2结论与进一步的工作1)矩形微槽 内的受迫流动 由层流向湍流的过 渡比大尺寸 槽道 提 前.价一14 0 0一180.02)在实验 条件 下,在层 流区段得 出的流动阻力和换 热 关联 式,反映 了长径比和微 槽高宽比的影响.可作为进一步研究和工程实际 的参考。3)本文 实验是初 步的 阶段 结果.应 当进一步 扩大 实验 参 数范 围,深入、系统 地探 索 微 槽通道内的流 动与换热规律。代用毛,一微十l梦i大件 的草板一直了 不只符号表月:一微摘换热而积12 2重庆大学学报1 9 9 4年,(W。十Zh)乙C一流体的 定压比热.D一微槽 的当量水 力直 径ZWCh/(W。+h)f一流 动摩 擦阻力系 数G一流体质 量流量h一微槽高度一导热 系数兀一微 槽有 效长 度。一微槽 数.u,一努谢尔特数尸一流体压降pe一贝克 利数p:一普 朗特 数心一热 流率q一热 流 密度月 运一一雷诺 数7 一温度v一流体平均 流速w。一微膺宽度w,一微槽壁厚a一对流 换热 系数,一流 本运动粘度群一流体动 力枯度下 标:进口;e出口了流 体;)t I壁面参考文献1TuekermanDB,e Pa seRFW.Hig h一e Prforman e eha etsinkingfo rV岱I,IE EEEleC tr o nDevieee Lt t.,1981,E D L一2:1261292Tu eke rmanDB.He attr ansfe rmiero str ueture sf orint邝rate dCire uis 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fahlerjetal.Liqu记ands出tr an、因rtinsmal l(hann ols.ProentedattheASME一WAM,1990(H.H.a Bu提供)1 0埃克特和德雷克著.传热传质 分析,北京:科学出版社.19861 1(lark5H.KaysWM.a Lm一11arflowfor cedeo一Iv etion一nreca tngulartube s.Trans aetionsoftheASME,9 5 3,75:8 598 6 6