CN111450748A

CN111450748A - 微通道内被动式强化传热与溶质混合的实现方法

Info

Publication number: CN111450748A
Application number: CN202010273916.XA
Authority: CN
Inventors: 潘振海; 李利春
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2020-07-28

Abstract

一种微通道内被动式强化传热与溶质混合的实现方法，通过在微通道内垂直于流向方向转动设置至少一个具有单个旋转自由度的方柱，使其在流体作用下绕其转轴自由转动，并在下游产生涡状流动，从而扰动微通道内原有的泊肃叶流动，产生横向流动并破坏通道壁面处的热边界层，达到强化传热和促进溶质混合的效果。本发明能够在不同的雷诺数、阻塞率和方柱转动惯量情况下，方柱的运动状态呈现周期性振荡、随机振荡、持续转动等多种状态。通过设置对应的方柱的数量及排列方式、尺寸以及材料需结合流体和通道结构综合选定，使得传热与溶质混合强化的效果最佳，同时不消耗外部能量，经济性和可靠性高。

Description

微通道内被动式强化传热与溶质混合的实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种流体力学领域的技术，具体是一种微通道内被动式强化传热与溶质混合的实现方法。

背景技术

随着近年来流体力学基础学科相关研究的深入以及微型机电制造工艺的进步，涌现出大量基于微通道结构的微型化系统。与常规系统相比，微型化系统由于尺寸比较小，在流动速度相同的情况下，雷诺数远小于常规尺寸结构，因此微通道内的流场结构往往表现为泊肃叶流，其中横向的传热与溶质混合过程主要依赖于扩散作用，会极大影响微型化系统的工作性能。例如在微反应器可实现反应工质的迅速混合，但由于尺寸过于狭小，容易造成微通道的堵塞，因此加强微尺度反应器通道内的混合效果会是提高微反应器工作稳定性的方法。又例如在微电子芯片领域，电子元器件的性能会随着温度的上升不断降低，提高芯片的散热效果是保障芯片性能的重要举措。同时冷却系统也是微型卫星的重要部分。

强化传热与溶质混合的主要方法之一是加强微通道的流场扰动，形成各种横向的二次流动并破坏壁面处的边界层，从而提高传热与溶质混合效率。目前加强流场扰动的方式分为主动式和被动式。主动式扰流的方式主要包括脉动流，增设运动构件，施加电磁场等方法。但是主动式传热与溶质混合需要消耗更多的外部能量，经济效益较低；同时需要额外给系统增加供能装置，增加了系统的复杂性，降低系统可靠性。被动方式利用各种扰流结构，如增加通道表面粗糙度，改变流道形状(如波浪形通道，分叉通道或加设肋片)，或者在流道中增设障碍物等。除此之外，在通道中加入细微颗粒物以增强流场的局部扰动也可以起到强化传热与溶质混合的作用。目前在微尺度传热与溶质混合领域也有通过流场内的被动运动强化传热与溶质混合的实例，但尚未发现有将涡激振动应用于强化传热与溶质混合的先例。

涡激振动是流体-刚体耦合问题的一种常见运动方式，没有完全固定的刚体在流场中由于涡的存在会发生运动，平移振动或旋转振动。涡激振动常见于各类实际应用，例如海上工事、热交换器等。在微通道内加入具有旋转自由度的刚体，刚体对流体的振动响应会使刚体下游产生二次流动并破坏壁面处的边界层，增强对尾流区域和近壁面处流体的扰动。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种微通道内被动式强化传热与溶质混合的实现方法，能够在不同的雷诺数、阻塞率(方柱边长与通道宽度之比)和方柱转动惯量情况下，方柱的运动状态呈现周期性振荡、随机振荡、持续转动等多种状态。通过设置对应的方柱的数量及排列方式、尺寸以及材料需结合流体和通道结构综合选定，使得传热与溶质混合强化的效果最佳，同时不消耗外部能量，经济性和可靠性高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过在微通道内垂直于流向方向转动设置至少一个具有单个旋转自由度的方柱，使其在流体作用下绕其转轴自由转动，并在下游产生涡状流动，从而扰动微通道内原有的泊肃叶流动，产生横向流动并破坏通道壁面处的热边界层，达到强化传热和促进溶质混合的效果。

所述的方柱，其本体为正方形柱结构，两端呈圆柱状用于实现转动设置，即通过滑动轴承设置于微通道的壁面内以实现单个旋转自由度，即绕方柱的质心轴旋转。

所述的单个旋转自由度为垂直流向布置。

所述的至少一个是指：两个或更多方柱，当采用两个方柱时为并排排列、串联排列；当采用多个方柱时为并排、顺排或叉排排列。

所述的方柱的综合当量直径，即各列方柱的平均当量直径之和，其列的方向平行于流向方向，平均当量直径

其中：A表示垂直流向的方柱截面的面积，P为该截面的周长。

所述的综合当量直径优选为微通道当量直径的0.4-0.8倍，从而同时保证方柱对流场的扰动程度以及流体的流畅流动；进一步优选为方柱的边长d为通道宽度H的1/4，两个方柱并排排列，因此综合当量直径为通道当量直径的0.5。

技术效果

本发明整体解决了针对微通道内的传热与溶质混合受限的情况下实现被动式强化传热与溶质混合的技术问题；与现有技术相比，本发明基于方柱对流体的振动响应会使方柱下游产生二次流动并破坏壁面处的边界层，增强对尾流区域和近壁面处流体的扰动，强化传热与溶质混合。同时该发明不需要消耗外部能量，不需要外部功能装置，降低系统复杂度，极大提高效率和可靠性。

附图说明

图1为本发明方柱结构示意图；

图2为本发明方柱沿流向的剖面示意图；

图3为本发明方柱与微通道壁面的连接示意图；

图4为方柱不同排列方式的示意图；

图5为实施例2结构示意图；

图6为实施例2传热与溶质混合模型示意图；

图中：质心轴1、通道壁面2、方柱3、滑动轴承4；

图7为周期振荡型的两个方柱旋转角度曲线图；

图8为随机振荡型的两个方柱旋转角度曲线图；

图9为旋转型两个方柱旋转角度曲线图；

图10为周期振荡型某一时刻通道内温度分布示意图；

图11为不同流速下的沿壁面的平均努赛尔数示意图；

图12为周期振荡型某一时刻通道内浓度分布示意图；

图13为不同流速下的溶质混合效率示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，为本实施例涉及的设置于微通道内被动式强化传热与溶质混合的方柱，其两端部分呈圆柱状，便于方柱体与轴承的连接，方柱有单个旋转自由度，即可绕其质心轴1旋转。

如图2所示，所述的方柱3与微通道壁面2之间的连接采用滑动轴承4实现，该微通道的当量直径为10-1000μm，滑动轴承有很高的技术的要求，主要原因是微通道内采用的轴承尺寸需要达到较高的精度；相同的尺寸下，滚动轴承的制造精度要求更高。滑动轴承的结构更简单，同时可达到与滚动轴承相当的效果。

如图3所示，所述的方柱3的转动轴与流体的流向垂直布置，其运动方向如箭头所示，运动状态根据流体流速等工况的不同存在但不限于周期性振荡、随机震荡以及持续转动等。

如图4所示，所述的方柱的数量不限于一个，可以是两个甚至多个。两个方柱时可以并排排列，也可以串联排列。多个方柱时除了并排、顺排排列之外，还可以叉排排列。

其中：A表示平行流向的方柱截面的面积，P为该截面的周长。

所述的综合当量直径为微通道当量直径的0.4-0.8倍，从而同时保证方柱对流场的扰动程度以及流体的流畅流动。

所述的方柱的材质可以根据流体性质进行选择，不同材料的密度不同，绕其质心轴的转动惯量不同，从而对流体的响应不同,从而造成振荡频率和幅度的不同，或持续转动速度的不同，对通道内的流场扰动不同，强化传热与溶质混合效果继而也不同。

实施例2

本实施例进行了在两平板间的微通道内加入两个并排排列的方柱，流体横向流过方柱造成方柱绕轴的涡激振动的二维数值模拟研究，并探究了方柱在不同的雷诺数下的运动状态及其传热与溶质混合效果

如图5所示，为本实施例涉及的方柱的二维结构，所述的方柱的边长d为通道宽度H的1/4，两个方柱并排排列，因此综合当量直径为通道当量直径的0.5。

如图6所示，为本实施例的传热与溶质混合的模型，即通道以中心线为界分为两个部分，通入浓度不同(0％和5％)的液体，以此来验证该发明的强化溶质混合效果，同时对壁面施加等热流密度的热量来探究强化传热的效果。

所述的方柱采用硅(ρ＝2330kg/m³)制成，流体采用水(ρ＝998.2kg/m³)，这里H＝200μm，从而得到方柱在流体驱动下的旋转状态以及强化传热与溶质混合效果。

所述的方柱在不同雷诺数下的运动状态，包括：周期振荡型、静止型、随机振荡型以及旋转型，具体为：

1)如图7所示，对于流速较低(平均流速U＝1m/s)周期性振荡状态，且两个方柱偏离初始位置的角度曲线呈现频率相同振幅相等的关系，存在半个周期的相位差。

3)如图8所示，当流速增大时，方柱呈现随机振荡的运动状态，振荡幅度较大，没有呈现明显规律性，U＝2m/s时方柱的运动状态。

当流速继续增大，U＝6m/s时,方柱呈现持续转动状态，称为旋转型，如图9所示，此时流场扰动最强。

关于本实施例的强化传热效果，当U＝1m/s时，某一时刻通道内的温度场分布如图10所示，旋转的方柱产生的横向流动可以有效破坏壁面处的温度边界层，减少壁面处传热热阻，增强壁面处的对流传热效果，使得热量从壁面到流体有效传递。

以上下壁面的平均努赛尔数为重要指标，努赛尔数的参考温度为流体的入口温度，参考长度为通道宽度，得到结果如图11所示，Nu1通道内没有加入方柱的情况，而Nu1表示通道内加入自由旋转方柱的上下壁面的平均努塞尔数。通过图片可以看出，应用本发明相比于通道内没有方柱而言，强化传热的效果较为明显，并且随着平均流速的增加，增强效果明显增加。

关于本实施例的强化溶质混合效果，当U＝1m/s时，某一时刻通道内的浓度场分布如图12所示，旋转的方柱尾流处出现交替脱落的涡街扰动流场，出现横向流动促进通道内的工质混合，使得出口处的浓度分布较为均匀。

以溶质混合效率η为定性指标，

其中：σ为出口处的浓度分布标准差，η值越大，说明溶质混合性能越好。不同雷诺数情况下的溶质混合效率如图13，其中η₀表示空通道的溶质混合效率，η₁表示本实施例的溶质混合效果。由于通道内没有方柱的情况下，通道内流体呈现泊肃叶流动，溶质混合依靠扩散，其溶质混合效率接近0；而在通道内安置自由旋转方柱的情况下出现周期性涡街脱落，扰动流场促进工质混合，极大地提高了溶质混合效率。对于较大流速(U≥2m/s)的情况，通道内加入自由旋转方柱可以近乎达到100％的混合，工质浓度在出口处分布相当均匀。由此可见，本实施例强化溶质混合效果十分显著。

经过具体实际实验，在两个自由旋转的方柱并排排列的具体环境设置下，以不同入口速度的流体通入微通道中，得到方柱的三种不同状态：周期振荡型，随机振荡型和持续旋转型，能够得到：

1)在流体速度不同的情况下，相对于不加方柱的微通道，加热壁面的平均努塞尔数都明显提升，流速越大，提升效果越明显，U＝6m/s时，努塞尔数提升了150％以上。

2)相对于不加方柱时溶质混合依靠扩散，混合效率几乎为0％，微通道内加入可自由旋转的方柱使溶质混合效率大幅提升，当速度较大时，溶质混合效率接近100％。

综上，本发明通过被动旋转扰流结构，即具有旋转自由度的方柱在流体作用下发生旋转进一步扰动流场使得换热效果以及混合效果进一步加强。

与现有技术相比，本发明中加热通道壁面的平均努塞尔明显增大，说明其传热能力得到明显提升；通道出口处的溶质混合效率大幅提升，混匀效果显著。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims

1.一种微通道内被动式强化传热与溶质混合的实现方法，其特征在于，通过在微通道内垂直于流向方向转动设置至少一个具有单个旋转自由度的方柱，使其在流体作用下绕其转轴自由转动，并在下游产生涡状流动，从而扰动微通道内原有的泊肃叶流动，产生横向流动并破坏通道壁面处的热边界层，达到强化传热和促进溶质混合的效果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的方柱，其本体为正方形柱结构，两端呈圆柱状用于实现转动设置，即通过滑动轴承设置于微通道的壁面内以实现单个旋转自由度，即绕方柱的质心轴旋转。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的单个旋转自由度为垂直流向布置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的至少一个是指：两个或更多方柱，当采用两个方柱时为并排排列、串联排列；当采用多个方柱时为并排、顺排或叉排排列。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的方柱的综合当量直径，即各列方柱的平均当量直径之和，其列的方向平行于流向方向，平均当量直径

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的综合当量直径优选为微通道当量直径的0.4-0.8倍，从而同时保证方柱对流场的扰动程度以及流体的流畅流动。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的方柱的边长d为通道宽度H的1/4，两个方柱并排排列，因此综合当量直径为通道当量直径的0.5。