粗糙微通道液体流动和热传递的实验研究

抽象

虽然层流通过经典流体力学中的管道粗糙度可以忽略不计，但是由于表面积与体积的大比例，表面粗糙度可能在微观流体流动中发挥重要作用。为了进一步验证粗糙表面对微观液体流动和传热的影响，设计和构建了传热和液体流动性能测试系统，并进行了一系列实验检查，其中微通道材料是不锈钢和工作培养基是甲醇。结果表明，表面粗糙度在微通道中的层流和热传递过程中起着重要作用。在具有粗糙度特性的微通道中，液体层流量不仅依赖于粗糙微通道的横截面形状，而且依靠雷诺数的液体流量。粗糙微通道中液体层流量的Poiseuille数量随着雷诺数的增加而增加。另外，液体层状传热的露珠数不仅与粗糙微通道的横截面形状有关，而且还与雷诺数的液体流量相关，并且尤塞格数随着雷诺数的增加而增加。

1.介绍

微观传热和流体流量广泛存在于微机电系统中[1]、芯片实验室[2,3.]、生物医学测试[4]，微电子芯片冷却[5，燃料电池[6]、微反应堆及其他科技前沿[7,8]。该领域的研究对于探索微观张敏和传质规律的科学水平非常重要。随着微流体装置的快速发展，通道的尺寸变得越来越小，并且表面积与通道的体积的比率急剧增加。结果，通过表面粗糙度施加在微通道中的传热和流体流动的效果变得越来越突出[9,10]而且影响机制引起了世界的关注[9,11]。目前，粗糙表面在微尺度传热和流动中的作用尚未完全揭示。

MEMS MicroChannel散热器最初由Tuckerman和Pease提出[12]在20世纪80年代初。它具有小尺寸的优点，具有有限的容量的传热面积更多，这有助于相当大的传热系数。使用MicroChannel散热器已成为处理电子芯片散热问题的重要途径。微通道通常定义为尺寸为10的通道 μ.m≤. D_h ≤ 200 μ.m，其中D_h为通道的等效直径[13]。近年来，各国学者对微通道内的传热和流体流动进行了大量的理论研究。李等人[14用数值方式研究了梯形和三角硅微通道中层流和传热的特性，并与实验结果进行了比较。从现场协同原理的角度讨论了雷诺数对露面数的影响。陈和张等人。定量地定义了具有分形理论的微通道中的粗糙度结构，该理论由Deng等人进一步扩展。对多孔金属泡沫的构建[15]并对相对粗糙度的效果进行一系列数值研究，传热对传热的分形尺寸[16,17]。油菜和Cetin [18[[endnoteref: 2]]利用格林函数求解了等热流条件下平行板微通道内的耦合传热过程，得到了积分形式的解析解，研究了壁面轴向热传导对微通道内液体流动和传热的影响。他们还分析了流速、加热段长度、壁厚和壁热系数对平均和局部努塞特数的影响。

虽然基于理论分析获得了富有成效的成果，但在实验结果上有相对较少的报道。Kandlikar等人[19研究发现，在相同的平均粗糙度条件下，锯齿状粗糙表面锯齿状排列的改变会导致微通道层流特性的改变。这意味着平均粗糙度不足以充分反映粗糙表面的特性，单靠平均粗糙度这一单一指标难以充分解释粗糙度对流动特性的影响。Kandlikar等人[20.还测量了不锈钢小通道的表面粗糙度，内径为1.032mm和0.62mm（从酸蚀刻获得）的效果对流动热传递和压降的特性。发现粗糙度增强了热传递并导致压降显着增加。Shen等人。通过实验研究了具有矩形微通道的紧凑型散热器中的单相对流传热，发现雷诺数对传热能力有显着影响[21]。

在经典流体力学中，管中流体流动的粗糙度几乎可以忽略不计。当通道尺寸为微尺度时，粗糙度的影响可能渗透到微通道的主流中。在这种情况下，预计表面粗糙度可能在微尺度流体流动中发挥重要作用。为了进一步验证粗糙表面对微尺度液体流动和传热的影响，通过扫描电子显微镜观察了不锈钢表面的三维形貌，设计并搭建了粗糙微通道内液体流动传热性能测试系统。研究了粗糙微通道内液体层流的泊肃叶数和努塞特数随雷诺数的变化规律。

2.实验描述

2.1。实验系统

粗糙微通道中液体流动性能测量的实验原理呈现在图中1。使用甲醇作为实验中的工作流体。由喷射泵驱动，在注射器中流过调节阀，恒温流体循环器，过滤器和实验部分的工作流体顺序流动，最后流入放置在电子平衡上的玻璃器皿（烧杯）中。通过调节喷射泵推的液体的速度精确地控制进入微通道的液体的流速，并且进一步获得不同的流量压降。此外，通过恒温流体循环调节进入微通道的液体的温度。通过热电偶测量微通道中的液体入口的温度，通过差压传感器测量微通道中的液体流动的压降，并且可以通过喷射泵设定液体的流速。当流速改变时，微通道中的流量压降也相应地改变，这可以通过数据采集仪器通过差压传感器获得。

数字1表明，用于测量粗糙微通道中的液体流动性能的实验系统由液体流量控制和压力驱动装置，实验部分，流量压降测试装置和数据采集装置组成。微观液体流实验中使用的组件如下详细描述。

液体流量控制和压力驱动装置由注射泵，注射器和连接管组成。在实验期间，两个具有相同尺寸的喷射泵，并且它们中的每一个都配备有调节阀。当一个喷射泵工作时，其他喷射泵可以随时间将额外的工作流体提取到注射器中。因此，通过随着时间的推移切换喷射泵，可以实现液体流动条件的连续性和稳定性。由于微通道中的大流动性，在实验中使用高压喷射泵。不锈钢注射器的内径为28.6毫米，容量为50毫升（见表1对于规格和主要参数），从而确保了足够的流体运输能力。

实验部分主要由粗糙的微通道和连接管组成。粗糙的微通道由不锈钢圆形微通道（图）制成（图2），其分为两种类型：内径为152 μ.M和206. μ.m，外径是300μ.米和450μ.m分别。对应于不锈钢微通道的平均表面粗糙度高度，内径为152 μ.M和206. μ.米是6.65μ.M和6.14 μ.m分别。在微管加工过程中自然产生沟道粗糙度。扫描电子显微镜（SEM）通道的横截面的图像和内表面的粗糙度如图所示3.并且通过现场发射扫描电子显微镜完成测量。

流量压降测试装置由差压传感器和连接管组成。由于在这些实验中的不同工作条件下，微通道中流体流动的压降范围在不同的工作条件下变化，因此在实验中选择了两个具有0-200kPa和0-500kPa的压力范围的差压传感器（见表1用于规格和主要参数和数字4对于物理照片）分别保证测量精度。差压传感器和微通道之间的连接模式如图所示5。

数据采集​​设备由数据采集仪器，数据采集模块和计算机组成。温度传感器和压力传感器的信号线连接到数据采集模块，数据采集模块插入数据采集设备的模块槽中。Agilent公司制作的Agilent 34970A数据采集仪器和Agilent 34901A数据采集模块用于实验。数据采集​​仪器配备了Agilent Benchlink数据记录器数据采集软件，可以在计算机上实时记录，收集，显示和保存测量的数据。

基于上述粗糙微通道液体流动的实验平台（图1），对粗糙微通道中的液体对流传热特性的实验研究可以通过将热源添加到实验部分并辅助微通道换热器管的壁温测量来进行。数字6示出了在检查对流传热的实验中的实验部分，其包括上盖板，微通道热交换器管，导热块，电加热杆和下盖板。上盖板，导热块和下盖板通过铣床制成铝板。微通道换热器管采用具有与微射线实验相同规格的不锈钢管的粗糙微通道。

采用电加热棒模拟加热元件，电加热棒产生的热量通过导热块传递到微通道换热器中。微通道换热器内的热量是通过工作流体甲醇的对流换热而带走的。将保温材料包裹在实验截面的外表面，实现了实验截面的保温。根据热平衡原理，液体工质所携带的热量通过电棒传递到微通道换热器中。沿微通道的壁温由热电偶测量。粗糙微通道换热器管壁上设置5个热电偶，热电偶导线通过上盖板上的小圆孔被拉至数据采集仪。

电加热杆连接到直流调节电源，并且通过改变直流调节电源来控制由加热杆产生的加热功率来调节微通道表面上的加热通量。通过设定喷射泵的流速来调节微通道中的液体的流速，获得了在不同雷诺数下的微通道中的传热和流动的实验条件，并调整了进入微通道的液体的温度恒温流体循环器。

2.2。实验数据及误差分析

2.2.1。流体流动

Poiseuille号码（PO = fRE）用于评估微通道中的工作流体的流动性特性，在本文中具有粗糙度，以及流量摩擦阻力系数f定义如下[22]： 其中δP为液体在粗糙微通道中流动的途中阻力，d表示圆形微通道的直径，l表示通道的长度，和ρ_l是液体的密度。流过微通道横截面的液体的平均速度是 哪里G_l是液体的体积流量和一个为通道的横截面积。液体甲醇在微通道中流动的雷诺数可以表示为: 其中液体的动态粘度是μ._l。通过同时求解方程可以获得在微通道中流动的Poiseuille的液体数量（1)和(3.） 如下：

2.2.2。传播热量

甲醇在不锈钢内径微通道内流动的平均对流换热系数d和长度l是 在哪里热量问通过微通道的壁从热源转移到工作流体是由工作流体传递的热量，即，

微通道换热器管的总传热面积是 液体工作流体的平均温度是

通道平均壁温为

通过同时求解方程可以获得微通道中的热传递和液体流量的平​​均泡沫次数（5）〜（9“ 哪里C_P,l是液体的比热容量;T_外出，l和T_在，l是微通道中液体中液体的入口和出口温度。 , , , ,和是微通道墙壁的测量表面温度;G_l是液体通过热交换器管的体积流动;和λ._l为液体的导热系数。需要指出的是，上式中所涉及的液体的物理参数的定性温度是以液体在进出口处的平均温度为依据的。

2.3。误差分析

间接测量的y和多重独立的直接测量x₁,x₂，......，具有以下功能关系，

标准错误x₁,x₂， …， 是Δx.₁,Δx.₂，...分别，然后是标准错误y可以通过以下公式获得[23]： 误差传递系数在哪里 。根据公式（4), (10)和(12），分别可以推断出跨国数量和露面数的不确定性：

这些实验涉及的主要参数的测量误差列于表中2。

在对该性能测试系统进行流体流动和换热实验之前，对该系统进行了常规圆形通道的验证检验，通道直径为3mm。实验研究了该光滑通道内液体层流的压降和温度分布。泊肃叶数和努塞尔特数实验评估为16.7和4.3时雷诺数为1000 < Re < 2000,符合Po的经典值= 16.0,ν= 4.36液体层流的常规循环通道,验证这种实验方法的有效性(24,25]。

3.结果与讨论

3.1。粗糙的微通道中的流体流动

基于图中所示的实验系统1，流量压降粗糙的不锈钢微通道，直径为152 μ.M和206. μ.检查M和长度为7.2厘米。数字7表明用体积流量的压降变化，并且观察到流量压降随着液体流速的增加而增加。在相同的流速的条件下，通道直径的降低导致沿着微通道的流量压降的快速生长。流量压降沿152 μ.m微通道大约是206微通道的3.5倍μ.M微型通道。

图中显示了通过实验测量的雷诺数的微通道中液体流量的液体流量的变化8。注意，该图中的DASH-DOT线是常规尺寸通道中液体层流量的Poiseuille号的经典价值。通常，对于传统通道中的流体流动，Poiseuille号码仅取决于古典流体力学理论的通道的横截面的形状[24,25]。但是，如图所示8粗糙微通道中液体层流的泊肃叶数不仅与通道横截面的形状有关，而且与流体的雷诺数有关。随着雷诺数的增加，粗糙度导致微通道内液体层流的泊肃叶数增加，说明粗糙微通道的层流特性与常规微通道不同。

在粗糙微通道中，表面的不均匀分布干扰了靠近壁面的层流，甚至导致这些粗糙结构的凹部产生涡流。由于粗糙结构的尺寸(约1 mm)与粗糙微通道的直径(约100 mm)相当，这些诱导的涡流将不可避免地导致路上流动阻力的增加。结果表明，在粗糙微通道中层流的泊肃叶数比在常规通道中得到的要高。此外，随着雷诺数的增加，涡流对主流流动的影响也越来越明显，泊肃叶数也越来越偏离经典值。

此外，为了清楚地揭示圆形粗糙度微通道内雷诺数与泊肃叶数的关系，遵循Wu和Cheng的工作[26[提出了具有考虑相对粗糙度的相关方程 ,其中ε.是微通道的相对表面粗糙度。基于所获得的实验数据，等式中的参数适用于C₁ = 3.04,一个₁ = −0.001, andb₁ = 0.256. The correlation equation is also plotted in Figure8结果表明，该方法很好地预测了泊肃叶数与雷诺数之间的关系。

3.2。粗糙微通道的传热

沿着微通道的流动方向的壁温的变化，直径为152 μ.不同流动和热负荷下的m如图所示9。通过热负荷和流体流速确定微通道壁上的温度分布，并且该图表明壁温沿着墙壁近似线性增加。还可以看出，壁温随着相同液体入口流速的热量的增加而增加。

粗糙不锈钢微通道中液体对流热传递的液体对流传热的变化，直径为152 μ.M和206. μ.M与Reynolds号码列在图中10。该图表明，粗糙微通道中的层流量和热传递的喷射数不仅取决于横截面的形状，还不仅取决于曲折的液体流量。在图中观察到液体层状对流传热随着雷诺数的增加而增加。

据信，微通道中的粗糙结构峰值降低了微通道的流量面积，从而增加了局部速度。因此，层流动热传递的局部露珠数得到改善。更重要的是，沟道壁上的凸起和凹入结构干扰了热边界层的规则分布。与微通道墙面附近的诱导涡流一起，随后两者都有助于局部营养数的增加。

类似地，提出了对孔径数和雷诺数的相关方程，用于预测圆形粗糙度微通道中的层流传热，表示为 。获得的相关方程，具有拟合参数C₂ = 0.24,一个₂= 0.012,b₂= 0.431，也如图所示10，给出了与实验数据可接受的一致性。

4.结论

在这项研究中，设计并建造了粗糙微通道中的传热和液体流动性能测试系统，进行了粗糙微通道中的传热和液体流动的实验检查，其中粗糙表面的三维形态通过扫描电子显微镜观察。获得液体层流量的Poiseuille数量和粗糙的微通道中的液体层状对流热传递的液体层状对流热传递的函数作为雷诺数。主要结论如下：(1)在粗糙的微通道中，液体层流量的Poiseuille数量不仅依赖于通道的横截面的形状，而且还依赖于雷诺数的液体流量。粗糙微通道中的液体层流量的液体层流量随着雷诺数的增加而增加，随着雷诺数的增加，粗糙度对粗糙微通道中液体流动的影响变得更加明显。(2)In rough microchannels, the Nusselt number of liquid laminar flow heat transfer is related not only to the shape of the cross section of the channel but also to the Reynolds number of liquid flow, i.e., the Nusselt number raises with the increase of the Reynolds number.

数据可用性

支持本研究结果的数据可从通讯作者处获得。

利益冲突

作者宣布关于本条的出版物没有利益冲突。

致谢

作者感谢诚东大学成都博士的指导。这项工作得到了中国国家自然科学基金的支持（授予第51206170和51776037）。

参考资料

1. 厘米。ho和y.-c。Tai，“微机电系统（MEMS）和流体流动”液体力学年度审查，卷。30，没有。1，pp。579-612,1998。查看在：出版商网站|谷歌学术
2. Y.陈，W.Gao，C.张和Y. Zhao，“三维分裂微流体”芯片实验室，卷。16，不。8，pp。1332-1339,2016。查看在：出版商网站|谷歌学术
3. Z. Liu，M. Li，Y.Pang，L. Zhang，Y. ren和J. Wang，“液滴中的流动特性用矩形截面移动弯曲的微通道移动”流体物理学，卷。31，不。2，第022004，2019年。查看在：出版商网站|谷歌学术
4. S. R. Yadhuraj，S.Babu Gandla，S. Omprakash，B.G.Sudarshan，以及S.C.Prasanna Kumar，“使用PDMS进行生物医学应用的微通道的设计和开发，”今天材料:诉讼，卷。5，不。10，pp。21392-21397,2018。查看在：出版商网站|谷歌学术
5. “流动沸腾在构建的树形微型网络中”，张志强、陈元义、吴、石m .著。国际热质传递杂志，卷。54，没有。1-3，pp。202-209，2011。查看在：出版商网站|谷歌学术
6. N. Ibrahim-Rassoul，E.-K.Si-ahmed，A. Serir，A.Kessi，J. Legrand和N. djilali，“疏水性燃料电池微通道中两相流的调查”，能量，卷。12，不。11,2061页，2019年。查看在：出版商网站|谷歌学术
7. 张志强，余福华，李新欣，陈元义，“重力-微槽内毛细管蒸发的研究”，AIChE杂志，卷。65，不。3，pp。1119-1125,2019。查看在：出版商网站|谷歌学术
8. J. Wang，W. Gao，H. Zhang，M. Zou，Y. Chen和Y. Zhao，在光电控制石墨烯薄膜上的可编程润湿性，“科学推进，卷。4，不。9，物品ID eaat7392,2018。查看在：出版商网站|谷歌学术
9. J. B. Taylor，A.L.Carano和S. G.Kandlikar，“表征表面粗糙度和质地对流体流动 - 过去，现在和未来的影响，”国际热科学杂志，卷。45，不。10，pp。962-968，2006。查看在：出版商网站|谷歌学术
10. C. Zhang，Z. Deng和Y. Chen，“温度跳跃在诺特粗糙的流量粗糙的宽大伴有唱片的粗糙表面，”国际热质传递杂志，卷。70，pp。322-329,2014。查看在：出版商网站|谷歌学术
11. X. Liu，Y. Chen和M.Shi，“闭环脉动热管（CLPPPS）启动的动态性能分析”国际热科学杂志，卷。65，pp。224-233,2013。查看在：出版商网站|谷歌学术
12. D. B. Tuckerman和R. F. W. Pease，“VLSI的高性能散热”，“IEEE电子设备通讯第2卷第1期1981年，第126-129页。查看在：出版商网站|谷歌学术
13. “小水力直径平行通道紧缩式热交换器中流动沸腾过程中的传热、压降和流动模式”，李志伟，《流体力学》，硕士论文。传热工程，卷。23，不。5，pp。5-23,2001。查看在：谷歌学术
14. Z. Li，W.-Q.陶，y.-l.他，“微通道与非圆形横截面中的层状导热传热的数值研究”ASME 3RD关于微通道和迷你宣言国际会议的诉讼程序，第351-360页，美国机械工程师学会，多伦多，加拿大，2005年6月。查看在：出版商网站|谷歌学术
15. Z. Deng，Zhang，C. Zhang，Y. Huang和Y. Chen，“PCM熔化的行为在多孔金属泡沫中的特征是分形几何形状”国际热质传递杂志，卷。113，pp。1031-1042,2017。查看在：出版商网站|谷歌学术
16. 张志强，陈元义，石明明，黄元义，陈元义，“粗糙元对微通道层流与换热的影响”，硕士论文。化学工程与加工：过程强化，卷。49，没有。11，PP。1188-1192，2010。查看在：出版商网站|谷歌学术
17. Y.陈，C.张，M. Shi和Y. Yang，“建筑树形迷你罐散热器的热和流体动力学特性”AIChE杂志，卷。56，没有。8，pp。2018-2029，2010。查看在：谷歌学术
18. K. D. COLE和B.Çetin，“轴向传导对液体微通道流动中的热传递的影响”国际热质传递杂志，卷。54，没有。11-12，PP。2542-2549，2011。查看在：出版商网站|谷歌学术
19. S. G.Kandlikar，D.Schmitt，A.L.L.Carano和J.B.B.Taylor，“迷你阶段中单相流量的压降效应”的表征，“流体物理学，卷。17，不。10，p。100606，2005。查看在：出版商网站|谷歌学术
20. “小直径管内低雷诺数下表面粗糙度对传热和流体流动特性的影响”传热工程，卷。24，不。3，pp。4-16,2003。查看在：出版商网站|谷歌学术
21. S. Shen，J.Xu，J. Zhou和Y. Chen，“流量和传热在微通道的粗糙墙面，”能源转换和管理第47卷第2期2006年，第1311-1325页，11-12。查看在：出版商网站|谷歌学术
22. 《层流在管道中的强制对流》，刊于传热的进步张建民，学术出版社，美国，纽约，1978。查看在：出版商网站|谷歌学术
23. J. Stoer和R. Bulirsch，数值分析导论，斯伯克科学与商业媒体，柏林，德国，2013。
24. J. P. Holman，传播热量，McGraw-Hill教育，纽约，纽约，美国，第10版，2010年。
25. f . m .白流体力学，麦克风教育，纽约，纽约，美国，第8 Ed Edition，2016。
26. H. Y.Wu和P. cheng，“具有不同表面条件硅微通道对流热传递的实验研究”国际热质传递杂志第46卷，no。14, 2547-2556页，2003年。查看在：出版商网站|谷歌学术

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