微尺度受热表面自然对流传热数值模拟

论文摘要

随着微电子机械设备的发展和进步,微尺度下自然对流传热研究的重要性也随之显现出来。同时,纳米流体作为一种新型传热工质,其特殊的流动与传热特性使其在能源、化工、电子等众多领域具有诱人的应用前景。纳米流体在微尺度下的自然对流研究也成为当前传热学等学科研究的热点。本研究使用商用CFD商用软件FLUENT分别模拟了20、40、60、80、100微米直径的加热丝在大空间的自然对流情况,得出其速度、温度的分布与边界条件的设置有关,此外还跟加热丝直径有关,即表现出一定的尺度效应。随后整理的Nu值趋于一致,说明随着尺度的减小,流体在加热丝近壁区出现纯导热现象。使用20微米加热丝模拟了其在受限空间内自然对流传热情况,发现y负方向(即受限空间部分)速度变化急剧,y正方向(相当于无限大空间)速度变化缓慢与大空间自然对流情况相同,同时也可以从Nu值看出,受限空间内换热也有所加强。本文还分别采用单相流和两相流模型进行了纳米流体的数值模拟,并将结果和常规介质进行比较。分析表明,对于FLUENT中的单相流模型设置仅仅是改变了介质的物性,故其相对于常规介质而言速度、温度的提高并不是很明显；但当采用两相流设置方法时,速度、温度相对于常规介质和采用单相流的设置方法都有很大的提高,原因是因为两相流设置将固体颗粒和液体分开设置,颗粒与液体分子间相互作用予以考虑,出现与常规介质流动和换热不同的模拟结果。本研究讨论了常规介质和纳米流体在微尺度下自然对流传热,预计对器件等的微型化以及纳米流体的实际应用具有一定的理论指导意义。同时由于数值模拟的局限性,有关结果将采用实验的方法进行相关验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 微尺度传热学简述
• 1.2.1 微尺度的界定
• 1.2.2 微尺度传热的特点
• 1.3 微尺度传热学研究进展
• 1.3.1 传统换热介质研究进展
• 1.3.2 纳米流体的发展及应用
• 1.3.2.1 纳米流体的制备
• 1.3.3 纳米流体自然对流换热的研究进展
• 1.3.3.1 实验研究及理论分析
• 1.3.3.2 数值模拟
• 1.3.4 微尺度传热的研究方法
• 1.3.5 影响因素
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 数值模拟方法简介
• 2.1 FLUENT简介
• 2.1.1 FLUENT组成
• 2.1.2 FLUENT特点
• 2.2 数值模拟模型简介
• 2.3 模型的求解步骤
• 2.3.1 网格划分过程
• 2.3.2 FLUENT求解过程
• 2.4 本章小结
• 第3章 自由空间微尺度自然对流研究
• 3.1 数学模型介绍
• 3.2 数值计算结果及分析
• 3.3 小结
• 第4章 受限空间微尺度自然对流研究
• 4.1 数值计算模型
• 4.2 相同热流密度下数值计算结果分析
• 4.3 不同热流密度下数值计算结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 受限空间纳米流体自然对流研究
• 5.1 物理模型
• 5.1.1 模型选择
• 5.1.2 物理模型及参数
• 5.2 模拟结果及分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文的主要研究工作及相应结论
• 6.2 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢