纳米流体微通道散热器热性能评价研究

纳米流体微通道散热器热性能评价研究

论文信息：C.J. Hoa, J. Penga, T. Yang, S. Rashidi, W.

On the assessment of the thermal performance of microchannel heat sink with nanofluid, International Journal of Heat and Mass Transfer 201 (2023) 123572.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123572.

研究背景

近年来能源需求的增长增加了开发高热性能热系统的必要性。由于其良好的热传输性能，微通道散热器(MCHSs)在不同的工业应用中得到了广泛的应用。虽然对MCHSs中纳米流体的热特性进行了大量的研究，但仍存在许多不一致和问题，需要引起更多的重视。本文对纳米流体流过单层MCHS的热性能进行了全面的实验研究。研究了纯水和纳米流体在MCHS中的散热性能。研究了纯水和纳米流体流动的不同结果，包括壁面温度、压降、由入口温度定义的平均对流换热系数、热阻和均匀性指数。

研究内容

单层MCHS的结构也如图1所示。考虑长度为L+ ch，宽度为W+ ch,sl的MCHS。散热器流道的总数量为100个，100个。流体以均匀的进口温度为Tin，均匀的进口速度通过MCHS。MCHS是由铜制成的。它有24个矩形截面的流道。沿着流动方向在MCHS下方垂直距离放置7个热电偶来测量温度分布。另外两个热电偶也被放置在第一个和最后一个热电偶的侧面，以确认流动的温度。

图1单层微通道散热片的结构图。

为了考察实验结果的准确性，将不同体积流量下纯水通过单层MCHS底部情况下的温度分布与Shen等提供的结果进行比较。如图2所示，本研究获得的单层MCHS底部温度分布与Shen等的结果相似。因此，与Shen等类似，可以假设本实验的热边界条件为恒热流密度。但从数量上看，本研究中单层MCHS的流道底壁温度较高，散热效果较差。随着流量的增大，流道底部壁面的温度也随之降低，值得一提的是，流道底部的最高温度出现在沿流动方向的中段和后段，而不是端段。因此，在流动方向上，轴向换热发生在端段，导致流道端段温度下降。

图2 不同体积流量下单层微通道散热器底部纯水的无因次温度分布图。

不同雷诺数下基液和纳米流体流过单层MCHS的压降如图3所示。对于纳米流体，压降比如图所示。压降比定义为纳米流体与基液的压降比。由于纯水和纳米流体的物理性质不同，Re数会有轻微的差异。但是，在加入误差分析后，发现这个差异在误差范围内，所以在本研究中可以忽略这个差异。从图3可以看出，使用纳米流体代替纯水，增加纳米颗粒浓度，压降增大。随着纳米颗粒浓度的增加，颗粒的聚集性和粘度增加，从而导致压降增大。φnp = 0.5%的纳米流体与基液相比，最大压降提高了5.53%。φnp = 1.0%的纳米流体与基液相比，最大压降提高了9.43%。压降也随着雷诺数的增加而增加。

图3 纯水和纳米流体通过单层微通道散热器时的压降与雷诺数的关系。

定义受热面均匀度指标，以确定受热面温度是否均匀。该参数计算为受热面最高温度与受热面平均温度之比。图4给出了纯水和纳米流体流过单层MCHS时受热面均匀度指数与Re数的关系。从图中可以看出，在本研究的所有情况下，受热面均匀性指数都不会远大于单位。这表明受热面没有大的热点。随着雷诺数的增加，受热面均匀性指数有所提高。Re数越高，传热效果越好，温度梯度越大，受热面均匀性指数越高。此外，纳米颗粒数量越多，受热面均匀性指数越低。

图4 纯水和纳米流体流过单层微通道散热器时受热面均匀性指数随雷诺数的变化。

总结与展望

综上所述，纳米流体通过单层MCHS抑制了壁面温度。随着纳米颗粒数量的增加，壁面温度的抑制作用越来越大。布朗运动和颗粒在MCHS壁面附近的迁移使热边界层厚度减小，导致传热速率增大。纳米流体与纯水相比，最大压降有所提高。随着纳米颗粒浓度的增加，流体的导热系数增加，从而提高了传热速率。Re数越高，平均壁温热阻越小。纳米流体对热阻的最大抑制值为12.61%。

在本研究的所有案例中，受热面均匀性指数都不会远大于统一性。这表明受热面没有大的热点。随着雷诺数的增加，受热面均匀性指数提高。Re数越高，传热效果越好，温度梯度越大，受热面均匀性指数越高。

微信号｜微纳流控