液冷微通道散热流量与传热的相关性研究
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本期给大家带来的是关于微通道流量与传热的相关性研究内容，希望对大家有帮助。
关于微通道散热器，之前也写过几篇相关的文章，感兴趣的可点击下方链接进行阅读。
图片来源：Co-designingelectronics with microfluidicsfor more sustainable cooling
在冷却高热通量的应用中，最有前途的想法之一是将微通道散热器集成到芯片硅片中，在冷板等热传输装置中构建微通道。
微通道装置对高热通量冷却的有效性在于其增加了传热系数。在许多实际情况下，微通道内的小流量情况下产生层流，这导致传热系数与水力直径成反比。换句话说，散热器的通道越窄，传热系数就越高。
图片来源：Co-designingelectronics with microfluidicsfor more sustainable cooling
使用微通道作为一种可行的冷却解决方案是在1981年由塔克曼和皮斯首次提出的，他们设计并测试了一个完整的，通过在硅基板上蚀刻50µm宽，300µm深的水冷散热槽，实现了790 W/cm²的热流量。
另一专项研究关于微通道中氮气流动的摩擦因子和传热过程。通道在硅和玻璃基板中蚀刻，宽度在130-300µm宽，30-60µm深。
研究发现，微通道的摩擦因子随Re（雷诺数）的变化显著高于传统通道，归因于小通道中的相对粗糙度更大
另外还观察到，从层流到湍流的过渡在Re约为400时过早地发生了。
玻璃通道的摩擦系数和传热相关性，如表1所示。
表1. 微通道方案摩擦因子与努塞尔特数关系
另一项类似的在层流和湍流区域中研究，内径为3-81µm的微管中氮气流动的壁面粗糙度、摩擦系数和传热特性。
主要的偏差出现在湍流区域，其摩擦系数比传统计算结果的预测值低了10-30%。相关研究结论：摩擦因子和努塞尔特数相关性，如表2所示，
表2.微管的摩擦因子和努塞尔特数相关性
在表2所示的第一个相关性中，D为微管的内径，υ和Ca分别为流体的运动粘度和声速。
1994年，Peng等人实验研究了水通过矩形不锈钢微通道的强制对流，测量结果显示，摩擦因子偏离了常规通道的相关性预测的值。
流体流动受水力直径和通道长径比的影响最大。该流量在雷诺数为200~700的范围内发生了转变，临界雷诺数随通道水力直径的增加而增大。
在一项后续研究中，努塞尔特数的以下相关性，
在上述相关性中，Wc为微通道的中心中心距离，H为微通道高度，Z为微通道宽度与高度的较小值与较大值的比值，即：
尽管微通道器件的使用似乎很有前途，但在高热通量的应用中，它们需要大量的能量来推动流体通过通道。一种解决方案是在微通道中使用对流沸腾传热和两相流。
使用沸腾传热可以提高微通道的效率在两个方面：
1)它减少了推动液体通过通道所需的泵功率；
2)相变时，沸腾冷却剂从微通道散热器的表面吸收能量，大大增加了传热系数。
沸腾传热及微型通道领域的早期工程研究试验，使用2.54mm和0.51mm的圆形通道，并用R113作为冷却剂。得到高达200 W/cm²的临界热通量。
临界热通量的单一相关性是根据两个通道的实验结果发现的。这种关联在方程式1中显示:
在上述方程中，G、hfg和我们分别为质量速度、蒸发潜热和韦伯数。韦伯数是一个用于分析两种不同流体之间的流动的无量纲值。
这里，韦伯数是惯性力与表面张力的比值，可以表示为
其中s是流体表面张力
最近的一项研究中，研究水力直径为57-267µm的微通道中的流体流动和传热。
以甲醇为工作流体的实验结果表明，其流动是层流的。正如在类似研究中看到的那样，向湍流区域的早期过渡并没有发生。
然而，摩擦系数偏离了传统通道的相关性预测的结果。实验中的摩擦系数比理论值高出40%。根据本研究结果得出的摩擦系数与压降的相关性见表4。
表4.摩擦系数和压降相关性
在表4中的方程中，gc、L、ρf和Vf分别为单位变化因子（1.0 kgm/Ns²）、总通道长度和流体的密度和速度。
在压降方程中，入口压力损失系数K为1.0，出口为0.5。
研究传热实验表明，散热器微通道中的强制对流具有良好的冷却性能，特别是在相变状态。图5显示了许多芯片配置的通道壁温度与热流的关系。
图5 通道壁温度与不同芯片下的通热量关系图
由上图可以看出，通道壁面温度随着热通量的增加而增大。
第二个区域是相变区，在这里，表面温度开始下降。当通道壁温度达到相变的临界点时，转变就开始了。
流体迅速吸收通道上积累的能量，以进行剧烈的核沸腾。沸腾后，壁面温度大大降低。
经过调研发现市面上对微通道进行了许多理论和实验研究。然而，由于进出口效应、热源和流动边界条件、表面粗糙度的差异和通道尺寸的不均匀性等因素，导致结果有很大的差异。。
参考文献
高性能热沉研究
通道中气体流动的摩擦因子测量
微管中的流体流动和传热
水通过微通道流动的摩擦流动特性、
微通道流体流动与传热的实验研究