复杂微结构液冷强化换热技术及应用

微尺度液冷强化传热技术的发展源于解决高热流密度微电子器件的散热问题，目前已向各种有重量与体积的高热流密度领域拓展，如能源动力、航空航天、信息通信、人工智能、微电子技术等领域。其主要目的是降低电子设备因过热而发生故障或损坏的概率，同时提高电子设备的性能及可靠性。本书系统阐述了复杂微结构液冷强化换热技术及其应用，包括微结构对流动换热性能影响的研究方法、微结构对流动特性的影响、微结构对换热性能的影响、微通道热沉结构设计、歧管式微通道热沉结构设计、微通道热沉的系统集成及纳米流体的制备及强化传热性能研究等。
本书可供高等学校相关专业师生、工程技术人员和研究人员参考。

前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 微型散热器换热技术的发展 2
1.2.1 微通道定义 2
1.2.2 微结构 2
1.2.3 微型散热器结构的优化设计 5
1.2.4 纳米流体 7
1.3 本书目的和内容 9
参考文献 9
第2章 微结构对流动换热性能影响的研究方法 14
2.1 数值研究方法 14
2.1.1 数学模型 14
2.1.2 数值模拟 18
2.1.3 数值优化 20
2.2 实验研究方法 24
2.2.1 流场可视化测试 24
2.2.2 单相对流换热实验 29
2.2.3 实验误差分析 33
2.3 强化传热性能的评价方法 34
2.3.1 强化传热因子 34
2.3.2 场协同原理 35
2.3.3 熵产原理 38
2.3.4 热能传输效率 41
2.4 本章小结 42
参考文献 42
第3章 微结构对流动特性的影响 45
3.1 Micro-PIV图像及数据处理 45
3.1.1 Micro-PIV图像预处理 46
3.1.2 Micro-PIV数据处理 47
3.2 宏观尺度圆柱绕流的基本特性 50
3.2.1 圆柱绕流的边界层分离 50
3.2.2 宏观圆柱绕流的流动状态 51
3.3 单个微针肋通道内流体的流动特性 52
3.3.1 微针肋结构 52
3.3.2 圆形微针肋的绕流特性 53
3.3.3 水滴形微针肋的绕流特性 60
3.4 流体横掠顺排微针肋阵列的流动特性 62
3.4.1 顺排微针肋阵列的结构 63
3.4.2 流动特性分析 64
3.5 流体横掠叉排水滴形微针肋阵列的流动特性 66
3.5.1 叉排水滴形微针肋阵列结构 66
3.5.2 速度场分布 67
3.6 流体横掠叉排翼形微针肋的流动特性 70
3.6.1 翼形微针肋结构 70
3.6.2 流场可视化分析 71
3.7 凹穴与内肋组合微通道内流体的流动特性 73
3.7.1 凹穴与内肋组合的微通道结构 73
3.7.2 速度分布 74
3.7.3 矢量场分析 76
3.7.4 旋涡形成分析 78
3.8 本章小结 79
参考文献 80
第4章 微结构对换热性能的影响 81
4.1 凹穴形微通道内流体的流动换热性能 81
4.1.1 微通道结构参数 82
4.1.2 压降特性分析 82
4.1.3 传热特性分析 88
4.1.4 热阻特性分析 92
4.2 锯齿形微通道内流体的流动与换热特性 94
4.2.1 锯齿形微通道结构 95
4.2.2 锯齿的相对长度对流动换热特性的影响 95
4.2.3 锯齿扩展段相对长度对流动换热特性的影响 99
4.3 凹穴与内肋组合微通道内流体的流动与换热特性 102
4.3.1 微通道的结构参数 102
4.3.2 流动与传热特性分析 104
4.3.3 形状对流动及传热的影响 106
4.3.4 凹穴与内肋高度对流动及传热的影响 109
4.3.5 强化传热机理的热力学分析 112
4.4 凹穴与针肋组合微通道内的流动与传热特性 117
4.4.1 凹穴与针肋组合微通道结构 117
4.4.2 流体的流动特性 118
4.4.3 传热特性 121
4.4.4 熵产分析 123
4.5 流体横掠微针肋阵列热沉的传热特性 124
4.5.1 流体横掠顺排微针肋阵列的传热特性 124
4.5.2 流体横掠叉排水滴形微针肋阵列的传热特性 127
4.5.3 流体横掠叉排翼形微针肋阵列的传热特性 129
4.5.4 流动阻力特性 131
4.5.5 热阻与泵功的关系 132
4.6 本章小结 133
参考文献 134
第5章 微通道热沉结构设计 135
5.1 微通道热沉结构的优化分析 135
5.1.1 微通道热沉的进出口方式 135
5.1.2 微通道热沉的进出口槽道形状 139
5.1.3 微通道结构的优化设计 141
5.1.4 微通道热沉的流动换热特性 143
5.2 微通道热沉的综合性能实验 147
5.2.1 微通道热沉B的综合性能 147
5.2.2 微通道热沉C的综合性能 153
5.3 本章小结 157
参考文献 157
第6章 歧管式微通道热沉结构设计 158
6.1 优化设计软件开发 158
6.1.1 优化方法 158
6.1.2 优化算法 159
6.1.3 惩罚函数 160
6.1.4 优化程序设计 161
6.2 歧管式微通道热沉的优化结果与讨论 168
6.2.1 歧管式微通道热沉模型 168
6.2.2 模型验证 169
6.2.3 通道组数与泵功的关系 169
6.2.4 进出口宽度对热阻和泵功的影响 170
6.2.5 冷却液流量与泵功、热阻的关系 170
6.2.6 翅片厚度和微通道宽度对热阻的影响 170
6.2.7 底板温度分布 171
6.3 歧管式微通道热沉的实验结果与讨论 172
6.3.1 歧管式微通道热沉的加工 173
6.3.2 结果分析与讨论 174
6.4 歧管式流体横掠微针肋阵列热沉 175
6.5 本章小结 176
参考文献 177
第7章 微通道热沉的系统集成 178
7.1 集成系统的建模及模拟方法 178
7.1.1 物理模型 178
7.1.2 控制方程与边界条件 179
7.2 三角凹穴微通道热沉的数值模拟 180
7.2.1 流动特性分析 180
7.2.2 换热特性分析 181
7.3 分流集成模块的数值模拟 184
7.3.1 流动特性分析 184
7.3.2 换热特性分析 184
7.4 分流集成系统的数值模拟 187
7.4.1 流动特性分析 187
7.4.2 换热特性分析 189
7.5 分流集成系统的实验研究 190
7.5.1 流动特性实验 190
7.5.2 传热特性实验 193
7.6 本章小结 197
参考文献 197
第8章 纳米流体的制备及强化传热性能研究 199
8.1 纳米流体制备及性能测试方法 199
8.1.1 纳米流体的制备方法 199
8.1.2 纳米流体的稳定性测试 201
8.1.3 纳米流体的热物性测试 203
8.2 微混合/反应技术制备纳米流体 205
8.2.1 微混合/反应合成装置 205
8.2.2 Ag-水纳米流体的制备 206
8.2.3 Ag-水纳米流体的物性分析 207
8.3 表面活性剂对基液热物性的影响 213
8.3.1 表面活性剂在溶液中的形态 213
8.3.2 表面活性剂浓度对基液热导率的影响 216
8.3.3 温度对基液热导率的影响 217
8.3.4 pH对基液热导率的影响 217
8.3.5 表面活性剂浓度对基液黏度的影响 218
8.3.6 温度对基液黏度的影响 219
8.4 表面活性剂对纳米流体性能的影响 220
8.4.1 表面活性剂对纳米流体稳定性的影响 220
8.4.2 表面活性剂对纳米流体热导率的影响 222
8.4.3 表面活性剂对纳米流体黏度的影响 223
8.5 纳米粒子对纳米流体热物性的影响 224
8.5.1 粒子种类和粒径对热导率的影响 224
8.5.2 粒子浓度和温度对热导率的影响 226
8.6 纳米流体在微通道热沉中强化换热的应用 228
8.6.1 流动特性分析 228
8.6.2 传热特性分析 230
8.7 本章小结 234
参考文献 234