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摘 要

在集成电路大面积运用的时代，越来越多的需求消费要求产品性能稳定和发热量可控，正因为这样的需求从而催生了对微管道换热器的研究。处于发展初期的微管道换热器，其内部流动换热不再适配原来的经典理论准则式，这促进了更多的科研者通过多样的方法去努力探索。

本文从微管道阵列的布管排列方式来探究微管道阵列的传热性能，利用FLUNT软件的数值模拟与实验相互结合的方法，得到了在小流量下正三角形的布管传热性能优于正方形排列的结论。本文还从经济管理的角度阐述了微管道换热器数值模拟实验验证的成本以及管理上的关注点。

关键字: 微管道; 传热； 数值模拟； 经济管理

Numerical Analysis of Heat Transfer Performance of Micro - pipe Array

ABSTRACT

In the era of integrated use of integrated circuits, more and more consumers demand product that performance and control of heat, because of this demand and thus gave birth to micro-pipe heat exchanger research. With the process of the micro-pipe hot exchanger , the internal flow heat transfer is no longer adapt to the original classical theory of the standard, which promoted more researchers through a variety of ways to explore.

In this thesis, the heat transfer performance of the micro-pipe array is investigated from the arrangement of the micro-pipe array. This work is based on the numerical simulation of the FLUNT software and the method of experimenting with each other. We obtained the conclusion of the capability heat transfer that square channel is less than triangular. This thesis also expounds the cost and management concern of the numerical simulation experiment of micro-pipe heat exchanger from the angle of economic management.

Keywords: Micro-pipe; Heat transfer; Numerical simulation; Economic management

目 录

摘 要 I

ABSTRACT III

第一章 绪论 1

1.1 微管道阵列的研究背景 1

1.2 微管道的发展趋势与进展 1

1.3 微管道传热性能历史研究成果 3

1.4 流固耦合传热分析的智能应用 5

第二章 微管道阵列模型设计与模拟 7

2.1 控制方程 7

2.2 换热器模型的建立 8

2.2.1模型假设和简化 8

2.2.2换热器的几何尺寸 9

2.2.3模型网格划分 9

2.2.4边界条件的设置 9

2.3 数值结果和分析 10

第三章 实验装置的布置与数值测定 13

3.1 实验的目的和意义 13

3.2 实验装置及仪器 13

3.3 实验方案 15

3.4 实验步骤 16

3.5 实验数值分析 16

3.5.1总传热系数的计算依据 17

3.5.2实验结果及分析 18

第四章 项目经济评估与管理 19

4.1 项目可行性评估 19

4.2 投资估算与成本分析 19

4.3 项目的效益影响 20

4.4 后期维护与管理 20

第五章 结论与期许 23

5.1 结论 23

5.2 期许 23

参考文献 25

致谢 29

第一章 绪论

1.1 微管道阵列的研究背景

随着科技进步和市场需求的发展，换热器已不再仅仅满足于常规型，正朝着细微型演化。由于特征尺寸在毫米及以下，微管道换热器相比于常规换热器的优势为体积小、换热效率高、质量轻和便于运输^[1]，广泛应用于微化工和微电子领域^[2]。在细微电子化学领域，微管道热传递装置的特点集中在：高效的介质换热、良好的空间利用、低污染的环保性能以及低成本把控。在微电子领域，微管道换热器的特点在于可集成度高、传热路径短、换热效率高。从管道的不同换热器类型考虑有很多新的传热设备，微管道阵列具有良好的热传导性能，使其成为微小电子设备行业的新兴产品，特别是冷却技术方面更是一展风采。

1981年以来Tuckerman和Pease制造了第一个微管道热交换器，微管道是刻制在硅材VLSI芯片上的^[3]。微管道在能量磁阻加速器，以及核裂变反应堆芯和采用超高密度多模块的计算机中的运用凭借着独特的冷却效果，在换热器中占住了重要的席位，并且随着现代微电子技术和MEMS技术的发展，应用范围也在往航天、生物工程等行业扩张。

国际传热领域和MEMS对微管道换热特性进行了重点研究，越来越多的科学家迫切要求探究微小管道内的秘密。对此国际上也有相关讨论会议共学者们相互交流，以便在相对短的时间内对微小管道理论有所突破。

1.2 微管道的发展趋势与进展

20世纪50年代理查德·费曼作为出色的物理学家发表了具有前瞻性的预言，将来科学技术的发展方向是小型化。他给现在能源短缺和微热交换器的发展显提供了解决办法。

正如常规换热器，微管道换热器也根据几何划分成了不同的样式，目前研究的矩形阵列在研究史上也有满满地记载供现在的学者参考学习再创造。

Levy等人^[4]在50年代末期第一次对水力直径为4.88毫米的矩形通道进行了强制湍流下热传递研究并且以水为工作流体。

20世纪80年代Hwang等^[5-6]建立了矩形管道的理论模型来探究摩擦系数和传热系数。Nayak等建立水力直径为1.7mm的矩形管道来进行实验验证理论模型。

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