[摘要] 1绪论1 1研究背景随着微电子技术的发展，电子器件微型化趋势越
1绪论
1.1研究背景
随着微电子技术的发展，电子器件微型化趋势越来越明显，单位面积上晶体管数量不断增加，运算速度提升，每单位面积上产生的热量也不断增加，而这些精小的设备对温度十分敏感，一般电子元件的工作温度低于70℃，最高不能超过85℃，但是由于单位面积上发热量的增加，如果不能有效地散热，温度就会持续升高，设备发生故障，甚至是失效。随着电子器件热流密度的增加，在一些高发热器件上，常规的冷却方式已经无法满足高热流的需求。由于电子元件系统单位面积上所承载的热载荷很大，但是又受到了材料的耐温极限的限制，必须通过强化换热的方式来将热量带走。根据Bergles的总结，强化换热技术的发展至此已经经历了三个阶段，第一个阶段是对换热表面进行简单的处理；第二个阶段是以扰流作为主要的强化换热手段；而第三个阶段，就是对以上两种技术的一个复合。而对于强化换热技术的分类，Bergles的描述是主动技术（Active Technology）和被动技术（passive Technology）这样两类，这两类技术的区别，除了传送介质所需要的功耗以外，主动技术还需要外加电磁力或者是机械搅拌来实现，而被动技术则不需要其他能量，只是对表面进行处理，比如将换热面加工成细微的锯齿状和多孔状，在换热面添加几何尺寸较大的翅片结构，在通道中放置特殊结构的物质等。对于层流的强化换热，主要增加流体在径向上的质量交换，湍流的换热强化主要是减小边界层的热阻[1-4]。除了结构上的改变和增加扰流来强化换热，从流动工质本身来强化换热也是方式之一，例如采用相变材料强化换热。国外对相变材料的研究工作始于20世纪60年代，最早是以节能为目的，从太阳能和风能的利用及废热回收开始，经过不断的发展，逐渐扩展到化工、航天、建筑、电子等领域[5]。但是相变材料发生相变后，材料会覆盖在管壁上，有些甚至堵塞管道，导致更严重的散热问题，因此为了利用相变材料良好的吸热蓄热能量，增强换热的作用，研究者们利用相变微胶囊进行强化换热。微胶囊技术是一种将固体、液体或气体用高分子成膜材料包覆起来形成微小粒子(微米级)的技术，常用的制备方法有：界面聚合法、原位聚合法、复合凝聚法等。对于相变微胶囊，就是指芯材为相变材料的微胶囊，它的粒径约为0.1～1000?m，常作为相变微胶囊的芯材的固-液相变材料主要有结晶水合盐、聚乙二醇、直链烧烃类、石蜡类、脂肪酸类和共晶水合盐等；相变微胶囊的外壳的厚度在0.01～10?m内不等，其外形多为球形，通常由合成高分子材料构成，常用的壁材有聚酰胺、环氧树脂、聚脲、聚乙稀、聚苯乙稀、脲醒树脂等[6-9]。微胶囊技术的最大特点就是克服了相变材料使用的局限性，提高了相变材料的使用率，并扩宽了它的应用领域[10]。
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1.2当前国内外研究现状
Goel等[11]以正二十烷为芯材的相变微胶囊制成了悬浮液，在等壁面加热热流密度条件下，在直径为3.14mm，长度为300mm的直圆管内进行了层流流动特性的实验研究，分析了相变微胶囊体积浓度、相变微胶囊颗粒粒径大小等参数对于流体换热特性的影响。他们的实验结果表明：在相同Re数的条件下，相变微胶囊悬浮液与水作比较，前者作为换热介质能够使圆管的壁面温度降低约50%；另外使相变微胶囊的颗粒粒径从100?m增大到250?m，能使圆管的壁面温度再降低15%。Choi等[12]对以十六烷为芯材的相变微胶囊与水制成的悬浮液在直径为10.16mm的圆管内进行了紊流流动时的对流换热特性实验研究，他们设计的实验测试段，其长度627倍于圆管直径，该测试件可以实现等热流密度加热边界条件，主要的目的是研究在紊流流动中相变现象对于传热性能的影响。另外他们在实验中使用了乳化剂，这可以在流动循环中产生微小的相变材料颗粒，有了这种颗粒，悬浮液在系统中的流动不会堵塞。他们的实验结果表明：相变材料颗粒在发生相变时，圆管内悬浮液流体的压降明显降低；当温度达到相变材料颗粒的相变点时，悬浮液局部传热系数的变化很大。另外，他们还提出了一种三区融解模型（three-regionmeltingmodel），这种模型可以用来解释说明悬浮液中的相变材料颗粒对流动传热系数的强化作用。郝英立等[13]通过对芯材为正十四烷，外壳为尿素甲醛树脂的相变微胶囊与水混合制成的潜热型功能流体，对该流体流过等热流圆管时的对流换热特性进行了实验研究，其中潜热型功能流体中相变微胶囊的质量浓度为10%，通过与纯水的对比实验发现相变微胶囊的加入可以显着增强流体与壁面间的对流换热，显着降低壁面温度和流体温度；其中在融化段对流换热系数呈增加分布，流体和壁面温度各自基本稳定在相应的温度值。强化对流换热的效果主要在融化段，并随流体中相变微胶囊浓度的增大而增强，也随Re数的增大而增强。
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2相变微胶囊热物理性质与相关模型
本章主要介绍了相变微胶囊及其悬浮液的热物理性质，并且针对本研究介绍了主要的数值模型。
2.1相变微胶囊及其悬浮液的热物理性质
相变微胶囊悬浮液是将相变微胶囊和单相传热流体（比如水）混合后构成的一种固液多相流体。与普通的单相传热流体相比较，相变微胶囊悬浮液保留了相变材料储热和传热的功能，并将储热材料和热输运流体进行了统一，其热物理性质可以由相变微胶囊颗粒和单相流体这两部分热，物理性质叠加而成。相变微胶囊颗粒是由芯材和壁材组合而成，其中芯材为相变材料，壁材为有机物，其热物理性质也是由这两部分按照比例计算得出。比热则是表示物质热性质的物理量，其中定压比热容是指在压强不变的情况下，单位质量物质温度升高1度所需吸收的热量。相变微胶囊颗粒的比热同样是和其中的相变材料和壁材两种材料的比热相关，另外相变材料在相变温度范围之外所表现出来的显比热，而在相变温度范围内主要表现出潜比热，对于相变微胶囊颗粒的计算主要是显比热.
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2.2等效比热模型简介及其理论分析
在进行数值模拟计算的过程中，为了计算方便，常常会使用各种模型进行计算，而对于相变材料的数值模拟计算，RoyS.K.等[20]在1997年提出了等效比热模型，这是因为相变引起的潜热特效为某一特定温度区间内一个很大的表观比热容。对于相变微胶囊悬浮液的数值模拟计算，同样采用了等效比热模型，该悬浮液主要是因为其中的相变微胶囊颗粒的存在对流体流动和换热的影响，由于相变微胶囊在相变温度范围内所表现出的定压比热容是变化的，导致对流换热的强化，该模型在计算时直接将相变微胶囊悬浮液视为一种均匀的流体，忽略了其中相变微胶囊悬浮液中颗粒的影响，主要考虑了其相变潜热的产生主要基于定压比热容的变化。对于等效比热模型，在采用CFD软件进行数值计算的时候，具体使用的计算方程如下：相变微胶囊悬浮液作为一种多相流体，其必然遵循多相流的特点，而目前常用研究多相流的方法有两种：一种是欧拉-拉格朗日法，一种是欧拉-欧拉法。颗粒轨道模型是欧拉-拉格朗日型模型的一种，其要求颗粒相的体积较小，基本均匀的分布于流体中。并且将流体看做连续相，在欧拉坐标系下处理，通过Navier-Stokes方程求解，而将颗粒相看作离散相，在拉格朗日坐标系下处理，通过计算流场计算粒子的轨道以及由颗粒引起的热量和动量的传递[48]。
3阶梯型等效比热模型的换热分析及优化........21
3.1阶梯型等效比热模型相变微胶囊悬浮液的换热特性........21
3.1.1数学模型的建立和假设.....21
3.1.2网格独立性验证.....24
3.1.3结果分析及讨论......25
3.2基于确定潜热量的阶梯型等效比热模型的构建..........29
3.2.1模型建立及最佳阶梯数量预测...........29
3.2.2实验验证及对比.......32
3.3不同形状等效比热模型对相变微胶囊悬浮液的换热特性的影响..........37
3.3.1不同形状等效比热模型的构建...........37
3.3.2模拟结果.........39
3.4本章小结........41
4颗粒轨道模型的相变微胶囊悬浮液的换热特性模拟...........42
4.1数学模型的建立和假设...........42
4.2网格独立性分析.....44
4.3结果及分析........45
4.4本章小结......56
5结论与展望..........58
5.1本文小结......58
5.2展望.........59
4颗粒轨道模型的相变微胶囊悬浮液的换热特性模拟
各部分均匀液体的流动被称为单相流，但当该流体中存在不能混合均匀并且存在差异的组成物体时，这样的流体就被称为多相流体，根据其中参与流动的相的数目又分为了两相流、三相流等。对于相变微胶囊悬浮液，它就是由相变颗粒和流体混合而成的两相流，其流动换热过程，除了其中载流体表现出来的换热特性，相变颗粒在相变过程中表现出的巨大潜热，会产生强化换热的作用，正是由于这两部分换热特性的一个有机结合，所以在进行数值模拟的过程，考虑相变微胶囊悬浮液中相变颗粒运动，本章基于等效比热模型，利用颗粒轨道模型对二维微矩形通道内层流流动进行模拟，在定热流的边界条件下，对不同流动速度下的相变微胶囊悬浮液的换热特性进行模拟，分析加入颗粒以及颗粒壁面热阻后整个流体流动和换热特性。
4.1数学模型的建立和假设
由于相变微胶囊悬浮液是由水和相变微胶囊颗粒混合而成，颗粒不会溶解于水，所以流体中存在的颗粒会对流体的流动情况、换热情况等有一定的影响，为了更清楚的研究颗粒，基于颗粒轨道模型，建立二维的微矩形通道模型，其进出口高度为4.2mm，长度为400mm，结构如图4-1中所示，微通道的材质为铜，基本参数如表3-1所示。在数值模拟计算中做出如下假设：（1）在通道内分别通入单质水，质量浓度为5%和10%的相变微胶囊悬浮液这样三种流体，相变微胶囊悬浮液的载流体为水，相变微胶囊颗粒的芯材为正十八烷，壁材为聚甲基丙烯酸甲酯，其热物理性质见表3-2，颗粒的直径为1?m；（2）流体在微矩形通道内进行层流流动，且速度充分发展；（3）微矩形通道的壁面为定热流壁面；（4）流体工质中的颗粒的形状和尺寸不会随着流动而变化；（5）入口温度等于其中相变微胶囊的融化温度，即相变材料的起始温度为297k，相变结束温度为302k.
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小结
本文针对相变微胶囊悬浮液的换热特性，对不同质量浓度的悬浮液在微矩形通道内的换热进行研究，基于等效比热模型和颗粒轨道模型，分别建立了相关的三维和二维微矩形模型，对定热流边界条件下的强化换热效果进行了模拟分析，得到了以下结论：
1、建立阶梯型等效比热模型，通过定压比热容在不同阶梯形状得到的吸热量与实验中通过DSC热分析仪得到的bpC,计算所得的吸热量，和将定压比热容在不同阶梯形状在Fluent软件计算下得到的壁面温度差与实验所得的壁面温度差两方面的对比，发现阶梯状比热容模型在理论上存在最优的阶梯数量。
2、对于质量浓度为5%的相变微胶囊悬浮液，其3阶梯比热容模型与实验值最接近，为最优的阶梯型等效比热模型；对于质量浓度为10%的相变微胶囊悬浮液，在小质量流量的情况下，3个阶梯时与实验值接近，随着质量流量增加，模拟结果与实验结果具有一定的差异性，主要是由于部分相变微胶囊在质量流量就较快的情况下并未发生相变，其潜热没有体现出来。
3、建立四种不同形状的等效比热模型（等腰三角形、等腰梯形、矩形和阶梯型）进行数值模型研究，发现等腰梯形总是表现出了最好的冷却性能，其次是等腰三角形、矩形和阶梯型，其中阶梯型和实验结果最接近。
4、建立微矩形通道的二维颗粒轨道模型，通过五种不同流动工质的对比可以发现，由于相变微胶囊的存在对应的融化区域，可以看到微胶囊的相变吸热效果，且随着相变微胶囊质量浓度的增加，这个融化区域的长度的向着出口的方向加长。
5、对于相变微胶囊颗粒壁材热阻的存在进行考虑，随着Re数的增加，其变化规律与没有考虑壁材热阻的趋势相同，但是壁材的热阻会延迟相变的发生，其中壁材的厚度对强化换热效果有一定影响。
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参考文献(略)
