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波纹型微通道内流动与强化传热机理的数值研究
摘要
本文研究了波纹型微通道内流动与强化传热机理，采用数值模拟方法对波纹型微通道内的流动和传热进行了分析，并针对其流动特点，结合流动状态下的传热特性，探讨了如何通过改变流动参数来实现热传递增强的目的。结果表明，在波纹型微通道中，由于流动的扰动和涡旋结构的生成，流体的混合效应和剪切效应显著增强，同时与传统直通道相比，波纹型微通道具有更大的表面积和更短的传热距离，因此具有更好的传热特性。本文为波纹型微通道的热工性能提升提供了一些有效的思路和方法。
关键词：波纹型微通道；流动特点；传热特性；数值模拟
Abstract
Thispaperstudiestheflowandheattransfermechanisminthecorrugatedmicrochannel,analyzestheflowandheattransferinthecorrugatedmicrochannelbynumericalsimulation,andexploreshowtoenhanceheattransferbychangingtheflowparametersbasedontheflowcharacteristicsandheattransfercharacteristicsundertheflowstate.Theresultsshowthat,inthecorrugatedmicrochannel,duetothedisturbanceoftheflowandthegenerationofvortexstructure,themixingandshearingeffectofthefluidissignificantlyenhanced,andcomparedwiththetraditionalstraightchannel,thecorrugatedmicrochannelhasalargersurfaceareaandashorterheattransferdistance,thereforeithasbetterheattransfercharacteristics.Thispaperprovidessomeeffectiveideasandmethodsforthethermalperformanceimprovementofcorrugatedmicrochannels.
Keywords:corrugatedmicrochannel;flowcharacteristics;heattransfercharacteristics;numericalsimulation
正文
1.引言
微通道作为一种新型流体传热元件，在微型化、快速响应、传热性能优良等方面有着广泛的应用前景。其中，波纹型微通道由于其在传热和流动方面的独特性质，成为了目前微通道研究的热点之一。波纹型微通道的基本结构如图1所示。
[图1波纹型微通道结构]
在波纹型微通道中，由于通道壁面上的波纹结构，流体在通道内的流动会受到扰动和涡旋结构的显著影响，这种流动状态对于热传递的增强起到了积极的作用。因此，波纹型微通道的研究不仅有助于提高微通道传热效率，而且还对于流体在微尺度下的流动和传热现象的研究有着一定的指导意义。
2.流动特点
在波纹型微通道中，由于通道壁面上的波纹结构，不同于直通道的流动方式，流体将受到波纹结构的影响，引起更为复杂的流动状态。下面我们来看一下波纹型微通道中的流动特点。
（1）回流现象
当流体在波纹型微通道中进行流动时，由于波纹结构的影响，流体会出现局部回流现象。如图2所示，当流体在波谷处通过时，流体受到压缩，速度减小，产生局部回流；当流体在波峰处通过时，流体受到拉伸，速度加快，产生局部逆向流动。这种回流现象会使流体之间的混合程度大大增强，进而提高传热效率。
[图2波纹型微通道回流示意图]
（2）涡旋结构
除了回流现象外，波纹型微通道中还会生成涡旋结构，如图3所示。当流体在波谷处通过时，流体面被切割，产生剪切力，进而形成涡旋结构；当流体在波峰处通过时，由于流体速度变化的突然性，也会产生涡旋结构。涡旋结构的生成会将高温和低温液体混合起来，使热传递更为迅速，进而提高传热效率。
[图3波纹型微通道涡旋结构示意图]
（3）剪切效应
由于波纹型微通道中流体流动状态的复杂性，流体间的相互作用和颗粒之间碰撞会导致液体内部微观结构发生变化，进而发生流变学效应。通过流体层内部流动的分离和重新聚合，这种流变学效应会发挥出显著的剪切效应，使流体分层现象消失，从而实现流体间的快速混合和传热效果的提高。
3.传热特性
波纹型微通道在热传递性能上表现出了不同于直通道的特殊性质，主要表现在以下几个方面。
（1）表面积增大
对于同一长度的通道，波纹型