不同截面形狀超疏水微肋陣內(nèi)對流換熱特性

祝葉，管寧，李棟，趙孝保，劉志剛

（1南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇省能源系統(tǒng)過程轉(zhuǎn)化與減排技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；2山東省科學(xué)院能源研究所流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014）

不同截面形狀超疏水微肋陣內(nèi)對流換熱特性

祝葉1,2，管寧2，李棟1，趙孝保1，劉志剛2

（1南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇省能源系統(tǒng)過程轉(zhuǎn)化與減排技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；2山東省科學(xué)院能源研究所流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014）

通過在圓形、菱形以及橢圓形微肋陣表面固化含有微納米顆粒涂層制備超疏水微肋陣，并對不同截面形狀超疏水微肋陣內(nèi)流動(dòng)與對流換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，測量得到了超疏水處理前后各截面形狀微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)f以及Nusselt數(shù)。此外，通過計(jì)算超疏水微肋陣內(nèi)的綜合傳熱強(qiáng)化因子ε，定量分析了超疏水處理對不同截面形狀微肋陣內(nèi)流動(dòng)與換熱特性的綜合影響。研究結(jié)果表明，超疏水處理后圓形、菱形、橢圓形微肋陣內(nèi)摩擦阻力系數(shù)與未處理前相比最大可降低72%、66%、70%；同時(shí)，3種截面微肋陣內(nèi)Nu有所降低，且疏水前后微肋陣Nu偏差隨加熱功率的增加逐漸減小，高加熱功率下3種微肋陣超疏水處理前后Nu偏差最大分別不超過44%、17%、47%；高加熱功率下超疏水菱形微肋陣在Re＜1200范圍內(nèi)具有良好的綜合傳熱強(qiáng)化性能，ε始終高于1.17。

微肋陣；超疏水性；減阻率；對流換熱；綜合傳熱強(qiáng)化因子

Key words: micro pin-fins; super-hydrophobic; resistance reduction ratio; convective heat transfer; integrated heat transfer enhancement factor

引 言

隨著微電子設(shè)備集成度的提高，單位空間熱流量急劇增加，嚴(yán)重影響微電子設(shè)備的正常運(yùn)行[1]。因此，探尋高效緊湊的微型散熱設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電子元器件微小空間的高效散熱不僅具有科學(xué)意義而且具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值。

近年來，微肋陣作為一種高效微型散熱結(jié)構(gòu)，以其高面體比、結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，在微空間電子散熱領(lǐng)域受到研究者普遍關(guān)注[2-6]。大量研究表明，微肋陣結(jié)構(gòu)具有出色的強(qiáng)化傳熱能力，然而受微肋片繞流的影響，其內(nèi)部流動(dòng)阻力也相對較高[7-8]。這使得微肋陣的強(qiáng)化傳熱效果在無動(dòng)力條件下難以充分發(fā)揮，大大阻礙了微肋陣?yán)鋮s結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展。

不少學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，超疏水表面可促成流動(dòng)滑移，顯著降低流體流過微通道的流動(dòng)阻力[9-12]。此外，郝秀清等[13]通過PIV粒子成像測速技術(shù)對比分析了超疏水微通道和親水微通道中的流動(dòng)狀況，結(jié)果表明超疏水表面的最大減阻效果可達(dá) 8.72%；霍素斌等[14]在鋁制微通道內(nèi)制備的超疏水表面能夠使流動(dòng)阻力下降25%；郝鵬飛等[15]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)疏水微槽道內(nèi)水流壓降可減少 8%。然而，疏水性表面在降低流動(dòng)阻力的同時(shí)，對于換熱的影響也不可忽視。宋善鵬等[16]認(rèn)為超疏水微通道具有低流阻及較好傳熱性能；Hsieh等[17]發(fā)現(xiàn)與超親水微通道相比，超疏水微通道內(nèi)對流傳熱系數(shù)降低了 8%；范新欣等[18]實(shí)驗(yàn)研究超疏水表面結(jié)構(gòu)參數(shù)對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響。姜桂林等[19-20]將超疏水處理應(yīng)用于微肋陣后，微肋陣內(nèi)的流動(dòng)阻力最高可下降58.4%，而對流換熱規(guī)律的變化目前還缺乏系統(tǒng)的研究。同時(shí)，考慮到肋片的截面形狀對流動(dòng)及換熱特征有著重要影響[21-22]，因此在考察超疏水微肋陣內(nèi)對流換熱時(shí)，需要綜合考慮疏水性和截面形狀對換熱的影響。

縱觀上述文獻(xiàn)可知，對于疏水性表面流動(dòng)和換熱的研究主要集中在微通道領(lǐng)域，而微肋陣領(lǐng)域關(guān)于疏水性影響流動(dòng)及換熱的研究相對較少，對超疏水微肋陣內(nèi)的對流換熱特性及其受截面形狀影響的規(guī)律還缺乏相關(guān)研究和強(qiáng)化傳熱評價(jià)。因此，本文對圓形、菱形及橢圓3種形狀微肋陣內(nèi)壁面進(jìn)行超疏水性處理，探索超疏水表面及截面形狀對微肋陣內(nèi)流動(dòng)及換熱的影響規(guī)律及其機(jī)理，并對不同形狀超疏水微肋陣的綜合強(qiáng)化傳熱效果進(jìn)行定量評估。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與誤差分析

1.1 超疏水微肋陣的制備

采用環(huán)氧改性有機(jī)硅溶于乙酸丁酯和乙醇混合溶劑制備稀溶液，然后依次加入少量正硅酸四乙酯硅氧烷水解促進(jìn)劑和醋酸pH調(diào)節(jié)劑后，緩慢加入 2%的全氟辛基三乙氧基硅氧烷，最后加入酸酐類固化劑，得到超疏水處理溶液。將此超疏水性溶液固化于紫銅板表面后，其表面各點(diǎn)水滴表觀接觸角均超過150°，如圖1（a）所示，水滴在紫銅板表面實(shí)物如圖1（b）所示。

圖1 接觸角測試及水滴狀態(tài)Fig.1 Contact angle test and droplets state

圖2 超疏水處理前實(shí)驗(yàn)段實(shí)物Fig.2 Actual pictures of test sections before super-hydrophobic treatment

涂覆前微肋陣的圖片如圖2所示。在其表面涂覆并固化疏水性涂層后，通過電鏡掃描進(jìn)行測量涂層厚度，可得其平均厚度大約為S3=0.0755 mm，見圖3。疏水性處理后，對微肋陣進(jìn)行了持續(xù)50 h以上的連續(xù)實(shí)驗(yàn)，分別對不同位置取點(diǎn)測試其接觸角，發(fā)現(xiàn)其接觸角的變化均小于2°，充分驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)疏水性涂層的持久耐沖刷性以及涂覆的均勻性。

圖3 不同截面形狀超疏水微肋陣尺寸測量Fig.3 Diameter measurement of super-hydrophobic micro pin-fins with different cross-sectional shapes by SEM

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)所需壓力由12 MPa高壓氮?dú)馄刻峁?，高壓氮?dú)饨?jīng)過氣體過濾器及精密減壓閥后，推動(dòng)工質(zhì)進(jìn)入微肋陣實(shí)驗(yàn)段，工質(zhì)經(jīng)對流換熱后，進(jìn)入廢液槽。實(shí)驗(yàn)中工質(zhì)采用超純水，工質(zhì)流量采用微流量計(jì)（EH8301A，讀數(shù)精度0.01%）測量。實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口設(shè)有T型熱電偶（精度為±0.15℃）和壓力變送器（精度0.1%）分別測量工質(zhì)進(jìn)出口溫度T1、T2及壓力p1、p2。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)整氮?dú)鈮毫Λ@得工質(zhì)不同流量，需要等待壓力值與溫度值穩(wěn)定后，實(shí)驗(yàn)才開始進(jìn)行。

本實(shí)驗(yàn)中采用微肋陣實(shí)驗(yàn)段加熱裝置，如圖5所示。在紫銅棒頂端加工出微肋陣及流動(dòng)通道，從而獲得一體化加熱實(shí)驗(yàn)段以避免接觸熱阻，并在紫銅棒底端銑出9個(gè)柱狀加熱孔，插入電加熱棒對頂端實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行加熱，通過直流穩(wěn)壓電源（芯馳SDC36100S）控制電加熱棒的加熱功率，在實(shí)驗(yàn)段一側(cè)沿工質(zhì)流動(dòng)方向分別在入口、中間、出口處布置上下兩層共計(jì)6根K型熱電偶，以測量實(shí)驗(yàn)段周圍的溫度。實(shí)驗(yàn)段頂端覆蓋玻璃片，涂以704硅橡膠進(jìn)行密封以形成微肋陣通道。其中測試實(shí)驗(yàn)段通道尺寸L=40 mm, W=5.8 mm，微肋陣分別為圓形、菱形以及橢圓形。實(shí)驗(yàn)段具體尺寸見表1。

1.3 誤差分析

本實(shí)驗(yàn)主要測量儀器的精度為：熱電偶精度為±0.15℃(測量小于100℃)，微肋陣及微通道尺寸由機(jī)加工所用雕刻機(jī)（YF-DA7060）精度決定，其加工精度為±0.5 μm，因此其各尺寸誤差在±0.2%以內(nèi)。進(jìn)出口溫度差T、流量Gm、加熱功率P、壁面溫度T、Nu等參數(shù)誤差按文獻(xiàn)中分析方法計(jì)算得到并列于表2中。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Schematic diagram of experimental system

表1 實(shí)驗(yàn)段微肋陣幾何尺寸Table 1 Geometrical size of test sections/mm

圖5 實(shí)驗(yàn)段及加熱部分示意圖Fig.5 Photo of test section and heating element

表2 實(shí)驗(yàn)誤差Table 2 Experimental uncertainties

2 數(shù)據(jù)處理

微肋陣中流動(dòng)Re由式（1）計(jì)算

本文采用水力直徑作為微肋陣的特征尺寸，umax為通道面積最小截面的流速，計(jì)算公式為

微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)為

根據(jù)導(dǎo)熱定律，實(shí)驗(yàn)段底部流動(dòng)通道壁面溫度T為

加熱功率Q部分由微肋陣對流換熱帶走，其余部分以熱損失的形式散到周圍環(huán)境中

實(shí)驗(yàn)段對流傳熱系數(shù)由牛頓冷卻定律得到

本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)段采用絕熱材料包裹，熱損失比例約為1.17%～3.08%，可忽略不計(jì)。

其中

微肋陣內(nèi)對流換熱Nu計(jì)算如下

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

圖6為超疏水處理前后3種形狀微肋陣內(nèi)摩擦阻力系數(shù)隨 Re的變化關(guān)系。對于未經(jīng)疏水性處理的普通微肋陣[圖6（a）]，受尾渦區(qū)以及壓差阻力影響，圓形微肋陣的摩擦阻力系數(shù)始終高于菱形和橢圓形微肋陣；在較低 Re下橢圓形和菱形微肋陣摩擦阻力系數(shù)很接近，隨著 Re的增加，橢圓形微肋陣的摩擦阻力系數(shù)要低于菱形微肋陣。對上述 3種微肋陣進(jìn)行超疏水表面處理后，流動(dòng)表面的微觀特征發(fā)生了變化，超疏水表面上存在大量的微納米凸起，這些凸起內(nèi)留存的空氣與液體工質(zhì)形成的氣液兩相界面上會(huì)產(chǎn)生明顯的流動(dòng)滑移，從而降低了各微肋陣摩擦阻力系數(shù)，如圖6（b）所示，圓形、菱形、橢圓形微肋陣內(nèi)摩擦阻力系數(shù)最大可降低72%、66%、70%。同時(shí)，圓形微肋陣內(nèi)摩擦阻力系數(shù)與菱形和橢圓形微肋陣內(nèi)摩擦阻力系數(shù)之間的差距有所縮小，這是由于表面超疏水性處理不僅降低了圓形微肋陣的摩擦阻力，并且如文獻(xiàn)[23]所述，也對流動(dòng)分離和尾渦區(qū)的形成產(chǎn)生了明顯影響。

圖6 不同截面微肋陣f隨Re的變化曲線Fig.6 Comparisons of f with Re in micro pin-fins with different cross-sectional shapes

圖7中分別給出了當(dāng)加熱功率分別為50、100及150 W時(shí)超疏水處理前后不同形狀微肋陣內(nèi)Nu隨 Re的變化曲線。通過對比可以看出，未進(jìn)行超疏水性處理的微肋陣中，各加熱功率下橢圓形微肋陣內(nèi)的Nu均略高于其他兩種微肋陣，圓形次之，菱形最小。同時(shí)，隨著加熱功率的增大，3種形狀微肋陣Nu間的偏差有所增加。對微肋陣進(jìn)行超疏水處理后，當(dāng)加熱功率較低時(shí)，受超疏水壁面上微納米凸起內(nèi)的氣-液兩相界面的影響，液體工質(zhì)與固壁面接觸面積減小，因此微肋陣內(nèi)的Nu與無涂層微肋陣相比明顯減小，其中菱形與橢圓形微肋陣內(nèi)的Nu值較為接近，均顯著高于圓形微肋陣，可能由于超疏水性處理會(huì)對圓形微肋片的流動(dòng)分離及尾流區(qū)流態(tài)產(chǎn)生更為明顯的影響。由于流體繞流圓形微肋陣易發(fā)生流動(dòng)分離，經(jīng)超疏水處理后其繞流分離會(huì)出現(xiàn)明顯推遲，減小了尾流區(qū)漩渦對于流體的擾動(dòng)，減弱了對流換熱效果。隨著加熱功率的增加，3種疏水性微肋陣的Nu均有所增大，當(dāng)加熱功率為150 W時(shí)，3種微肋陣超疏水處理前后Nu偏差最大分別不超過44%、17%、47%,尤其在低Re下，圓形和菱形微肋陣超疏水處理后Nu略有增大。認(rèn)為這是由于高加熱功率使微納米凸起內(nèi)的氣體膨脹后部分逸出，可能會(huì)使液體與固壁面接觸面積有所增加，氣體逸出的過程能夠增加液體工質(zhì)的擾動(dòng)，增強(qiáng)了對流換熱。對比圖7（e）、（f）還可以看出，橢圓形微肋陣內(nèi)Nu由原來最大變成最小，Nu原來最小的菱形微肋陣變成最大的，認(rèn)為可能是由于在高加熱功率下，流體與壁面間溫差增大，特別是近壁面處，存在較大的溫度梯度，根據(jù)文獻(xiàn)[24]的研究結(jié)果，該溫度梯度帶來的冷熱流體間的混合對流會(huì)削弱微肋陣的端壁面效應(yīng)，降低超疏水表面對流動(dòng)分離及尾流區(qū)造成的影響，特別是對于外形的流線性介于圓形和橢圓之間的菱形微肋陣，因此，加熱功率增加對其對流換熱的強(qiáng)化要更加明顯，而橢圓形微肋陣由于具有良好的流線外形，超疏水性處理對其尾流區(qū)影響本身要低于其他兩種形狀的微肋陣，因此在高加熱功率下，其Nu增加幅度也較小，出現(xiàn)了如圖所示的現(xiàn)象。

通過對不同截面形狀疏水性微肋陣內(nèi)對流換熱特性的分析可以發(fā)現(xiàn)，表面疏水性處理會(huì)使微肋陣內(nèi)的流動(dòng)阻力系數(shù)和對流換熱Nu均發(fā)生明顯變化，為了綜合評價(jià)疏水性處理對微肋陣熱沉經(jīng)濟(jì)性的影響，本文根據(jù)Webb等[25]提出的綜合傳熱強(qiáng)化因子ε對超疏水性微肋陣熱沉內(nèi)的強(qiáng)化換熱性能進(jìn)行定量分析

其中

綜合傳熱強(qiáng)化因子ε表征了減阻方法對流體系統(tǒng)中系統(tǒng)傳熱的綜合強(qiáng)化效果，若ε ＞1，表明該減阻方法強(qiáng)化了系統(tǒng)的綜合傳熱性能，反之則削弱了對流換熱。

圖7 不同截面微肋陣內(nèi)Nu隨Re的變化曲線Fig.7 Profiles of Nu with Re in micro pin-fins with different cross-sectional shapes

圖8給出了圓形、菱形以及橢圓形微肋陣內(nèi)ε隨Re的變化曲線。由圖可以看出，3種截面形狀微肋陣內(nèi)的ε值隨著Re的增加先減小后趨于常數(shù)，在較高功率下超疏水處理對微肋陣內(nèi)綜合強(qiáng)化換熱作用更加顯著。對于超疏水圓形和橢圓形微肋陣，當(dāng)Q=50 W時(shí)其ε值均小于1，即超疏水處理在低加熱功率下不利于圓形和橢圓形微肋陣綜合傳熱性能的提高；對于菱形微肋陣，當(dāng)Re低于800時(shí)其ε值大于1，即超疏水處理有利于低Re下綜合傳熱性能的強(qiáng)化。隨著加熱功率的增加，3種微肋陣內(nèi)的ε值均有所增加，當(dāng)加熱功率增加至150 W時(shí)，本文研究范圍內(nèi)菱形微肋陣的ε值始終大于1.17。因此，在Re＜1200范圍內(nèi)高加熱功率下的超疏水菱形微肋陣具有良好的綜合傳熱強(qiáng)化性能，能夠在顯著降低流動(dòng)阻力的同時(shí)提高微肋陣的傳熱效果。

圖8 不同截面微肋陣內(nèi)ε隨Re的變化曲線Fig.8 Comparisons of ε with Re in micro pin-fins with different cross-sectional shapes

4 結(jié) 論

對超疏水處理前后圓形、菱形、橢圓形3種截面形狀微肋陣內(nèi)流動(dòng)及換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了變加熱功率下超疏水性處理對不同截面形狀微肋陣內(nèi)流動(dòng)及換熱的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

（1）超疏水處理后，圓形、菱形、橢圓形微肋陣內(nèi)摩擦阻力系數(shù)與未處理前相比最大可降低72%、66%、70%，且圓形微肋陣內(nèi)摩擦阻力系數(shù)與菱形和橢圓形微肋陣內(nèi)摩擦阻力系數(shù)之間的差距有所縮小。

（2）超疏水處理后，在較低加熱功率下，3種截面微肋陣內(nèi)Nu明顯降低，隨加熱功率增加，超疏水微肋陣內(nèi) Nu與無涂層微肋陣的差距逐漸減小，高加熱功率下圓形、菱形以及橢圓形微肋陣超疏水處理前后Nu偏差最大分別不超過44%、17%、47%。

（3）在較高功率下超疏水處理對微肋陣內(nèi)綜合強(qiáng)化換熱作用更加明顯，在Re＜1200范圍內(nèi)高加熱功率下超疏水菱形微肋陣的ε值始終大于1.17，強(qiáng)化了微肋陣的綜合傳熱。

符 號 說 明

A——面積，m2

cp——比熱容，J·(kg·K)?1

D——水力直徑，m

f——摩擦阻力系數(shù)

G——體積流量或質(zhì)量流量，m3·s?1或kg·s?1

H——微肋片高度，m

h——對流傳熱系數(shù)，W·(m·K)?1

L——通道長度，m

Nu——Nusselt數(shù)

n——沿流動(dòng)方向微肋片個(gè)數(shù)

p——壓力，Pa

Q——加熱功率，W

Re——Reynolds數(shù)

S——微肋片間距，m

T ——溫度，K

u ——流速，m·s?1

η ——肋片效率

λ ——熱導(dǎo)率，W·(m·K)?1

ρ ——密度，kg·m?3

下角標(biāo)

fin ——肋片

f ——流體

hy ——疏水表面

i ——入口

L ——沿流動(dòng)方向，體積流量

loss ——熱損失

m ——質(zhì)量流量

no-hy ——無疏水性涂層表面

o ——出口

T ——垂直流動(dòng)方向

1 ——上層熱電偶

2 ——下層熱電偶

3 ——通道底面

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Convection heat transfer characteristics of super-hydrophobic micro pin-fins with different cross-sectional shapes

ZHU Ye1,2, GUAN Ning2, LI Dong1, ZHAO Xiaobao1, LIU Zhigang2
(1Engineering Laboratory of Energy System Process Conversion and Emission Reduction Technology of Jiangsu Province, School of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, Jiangsu, China;2Key Laboratory for Flow & Enhanced Heat, Energy Research Institute of Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, Shandong, China)

Super-hydrophobic micro pin-fins with circular, diamond and elliptical cross-sectional shapes were prepared by solidifying hydrophobic layers involved nano-particles on the flowing surfaces, and the flow resistance coefficient as well as Nusselt number in super-hydrophobic micro pin-fins was measured. The integrated effect of super-hydrophobic surface on resistance reduction and heat transfer enhancement was explored by analyzing the integrated heat transfer enhancement factor ε. The results indicated that the friction resistance coefficient was reduced at 72%, 66% and 70% in three kinds of micro pin-fins with super-hydrophobic walls and different cross-sectional shapes. Besides, although Nu in all three kinds of micro pin-fins was reduced, the value of the decrease was less than 44%, 17% and 47% under the high heating power in present research. In addition, the super-hydrophobic micro pin-fins with diamond cross-sectional shape had good comprehensive heat transfer enhancement performance under the high heating power, and the value of ε is higher than 1.17 in the range of Re＜1200.

LI Dong, lidong_0307@163.com

TK 124

：A

：0438—1157（2017）01—0063—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20161079

2016-08-01收到初稿，2016-10-21收到修改稿。

聯(lián)系人：李棟。

：祝葉（1993—），女，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51306107）；江蘇省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(BK20150979)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016GGX104004）。

Received date: 2016-08-01.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51306107) and the Youth Project of the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20150979).