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周期性变截面微通道热沉内流体流动与传热特性研究的中期报告

中期报告

一、研究背景和意义

微通道技术是目前研究的热传导问题中的热点之一，其基于微小尺度特性，使得传热传质系数、反应速率等物理量和条件得到显著的提高。微通道的应用领域广泛，涉及到热管理、电子冷却、微反应器、微观制冷等方面。其中微观制冷是目前微通道研究中最为热门的领域，通过微通道制冷可实现制备低温、快速降温、精准控温等目的，为新型电子、医学、航天等领域提供了新的思路。

在微通道内，由于尺度特征很小，因此在传热传质过程中，普朗特数、雷诺数等无量纲数的影响也非常显著，这就为微通道内部流动和传热特性的研究提出了新的挑战。从热沉角度对微通道进行研究，是目前热沉领域的重点之一。研究微通道内的流动和传热机理，进一步优化微通道的几何结构和工艺参数，将对微通道的应用起到重要的推动作用。

本研究通过对周期性变截面微通道内流体流动和传热特性进行研究，旨在深入了解微通道内复杂流动和传热机理，提高微通道内传热传质系数，为微观制冷和热管理等领域提供技术支持。

二、研究进展

1.几何结构设计

本研究设计了一种周期性变截面微通道，其几何结构如下图所示：

[图]

该结构包含了5个不同梯度的矩形通道截面，长度均为100μm，总长度为500μm，宽度为100μm。微通道的厚度为50μm，由于该厚度足够薄，因此可以在该厚度下忽略微通道纵向温度梯度的影响。

2.数值模拟

本研究采用ANSYSFluent软件对周期性变截面微通道的流动和传热特性进行了数值模拟。模拟流程如下：

（1）建立周期性变截面微通道的三维模型；

（2）设置流体边界和壁面边界条件；

（3）设置计算控制方程和物理模型；

（4）进行计算模拟。

通过模拟计算，得到了周期性变截面微通道内的速度场和温度场分布。下图为周期性变截面微通道的速度分布图和温度分布图：

[图]

由图可见，微通道内的流体速度分布明显受到微通道截面的影响，其流动形态多样。同时，微通道内的温度分布也较为复杂，有明显的温度梯度，并出现了多个热点。

3.分析讨论

通过对周期性变截面微通道的模拟计算和分析，本研究得出了以下结论：

（1）周期性变截面微通道内的流动形态复杂，流线弯曲和再分离现象显著。

（2）微通道内的温度梯度大，存在多个热点，并对传热性能产生显著影响。

（3）微通道内的尺度特征很小，因此普朗特数、雷诺数等无量纲数的影响非常显著，需要在微观尺度下对流固耦合问题进行研究。

三、研究展望

本研究将继续深入研究周期性变截面微通道的流动和传热特性，在数值模拟的基础上开展实验研究，验证模拟计算结果的正确性和可靠性。同时，本研究还将考虑优化微通道的几何结构和工艺参数，以提高其传热性能和稳定性。在此基础上，本研究将进一步深入探讨微通道内复杂流动和传热机理，为微观制冷和热管理等领域提供更好的技术支持。