隨著微電子、生物醫(yī)療、能源等領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,微尺度傳熱問(wèn)題的重要性日益凸顯。微通道作為一種典型的小尺寸空間結(jié)構(gòu),在熱量傳遞過(guò)程中展現(xiàn)出特別的流動(dòng)與傳熱特性。本文將詳細(xì)闡述一套專為探究微通道內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱特性而設(shè)計(jì)的
傳熱實(shí)驗(yàn)裝置,并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行深入討論。
該微通道傳熱實(shí)驗(yàn)裝置主要包括以下幾個(gè)核心部分:微加工的微通道芯片、精密流量控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、高精度的熱流與溫度測(cè)量系統(tǒng),以及數(shù)據(jù)采集與分析軟件。
微通道芯片采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)加工而成,具有均勻且可控的通道尺寸,以便精確控制流體在微尺度下的流動(dòng)情況。芯片材質(zhì)的選擇需兼顧熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性和生物兼容性等因素,以適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的需求。
精密流量控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)進(jìn)入微通道的流體速度,通過(guò)微調(diào)進(jìn)氣口的壓力或者利用蠕動(dòng)泵精確輸送液體,使得流體在微通道內(nèi)的雷諾數(shù)保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),以便觀察低雷諾數(shù)效應(yīng)對(duì)流動(dòng)和傳熱特性的影響。
溫度控制系統(tǒng)包含加熱單元和冷卻單元,可通過(guò)精確調(diào)控?zé)嵩春屠湓礈囟?,?shí)現(xiàn)微通道內(nèi)壁面溫度的設(shè)定與控制,進(jìn)而探究不同壁溫條件下流體的對(duì)流換熱規(guī)律。
高精度的熱流與溫度測(cè)量系統(tǒng)包括熱線風(fēng)速儀、熱電偶、紅外熱像儀等,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄微通道入口、出口以及通道內(nèi)特定位置的溫度分布,以及微通道內(nèi)外的熱流變化。
數(shù)據(jù)采集與分析軟件則整合所有硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)信息,進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄,并通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和算法,計(jì)算得到微通道內(nèi)流體的對(duì)流傳熱系數(shù)、努塞爾數(shù)等關(guān)鍵傳熱參數(shù),以及流場(chǎng)的速度分布、溫度分布等物理量。
通過(guò)對(duì)這套微通道內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用研究,不僅能深入了解微尺度傳熱的內(nèi)在規(guī)律,還可為微電子器件冷卻、微反應(yīng)器設(shè)計(jì)、微流控生物芯片等領(lǐng)域提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持,推動(dòng)相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。同時(shí),通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬的對(duì)比分析,也有助于完善和發(fā)展微尺度傳熱學(xué)理論,豐富和完善傳熱科學(xué)的知識(shí)體系。