摘要
近年来，随着细微加工技术和微尺度设备的快速发展，微型换热器逐渐走向高效换热微尺度化。随着电子器件、工业设备等散热量的增加，简单微通道已经不能完全满足设备散热需求。本文通过采用数值模拟方法对不同微通道结构内超临界氮（SupercriticalNitrogen,SCN2）流动与传热特性进行研究。首先，创建矩形截面直微通道与圆形凹腔型微通道的模型，采用数值方法对SCN2流动与传热特性进行分析。同时，建立不同凹腔形状的凹腔型微通道，通过研究凹腔形状和圆形凹腔椭圆度等相关结构参数对微通道内SCN2换热性能的影响。本文研究结果能够为微通道换热器优化设计和高效运行提供基础性参考数据。主要研究内容和研究结果如下： （1）首先，本文将数值模拟数据与实验数据进行比较，以验证模拟方法的可靠性。基于有/无圆形凹腔型微通道的物理模型，研究了微通道内SCN2的流动和传热特性规律，在矩形截面形状直微通道中圆形凹腔结构存在增强了对流传热，提高了速度场和温度场协同作用，减薄了流体边界层厚度，降低了范宁摩擦系数，减小了流体阻力，增加了与壁面的热交换效率。 （2）其次，基于圆形凹腔型微通道，建立了不同凹腔结构和椭圆度的凹腔型微通道模型，研究了不同凹腔形状和椭圆度对凹腔型微通道内SCN2的流动和传热特性。结果发现，相比矩形和梯形凹腔型微通道，侧壁具有圆形凹腔型的微通道综合换热性能最佳。圆形凹腔型微通道在本文所设计结构尺寸下（R=1.5mm，H=1mm，L=540mm，入口截面宽为3mm，侧壁设置六个凹腔结构），当质量流量设置大约为750kg/m2·s时最有利于SCN2的换热特性，相较于矩形和梯形凹腔型的微通道整体换热性能提升了大约23%。 （3）最后，设计了四种不同椭圆度圆形凹腔型微通道，研究了椭圆度对微通道热交换性能影响。研究表明，在不同凹腔型微通道中，椭圆度a/b=1时速度平均值为最大，波幅最小。随着椭圆度增大，椭圆度大于1时，存在滞留死区，传热效果恶化。综合考虑椭圆度为1凹腔型微通道为最佳。
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