【正文】 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) I 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 學(xué) 院 船舶與海洋 工程學(xué)院 專 業(yè) 熱能與動力工程專業(yè) 學(xué)生姓名 朱春雷 班級學(xué)號 0640202039 指導(dǎo)教師 張東輝 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) II 二零壹零 年六月 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 樹狀管路中流動換熱特性分析 Analysis of Fluid Flow and Heat Transfer in Fractal TreeLike Structure 摘 要 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) III 樹狀分形結(jié)構(gòu)是自然界中一種 非常 普遍的結(jié)構(gòu)， 具有很多的特有的運輸特性。 本文主要討論了樹狀分形結(jié)構(gòu)的流動換熱特性。 本文 第二章主要是應(yīng)用 FLUENT 軟件模擬了 Y 型管內(nèi)的流體流動狀況。對于二級 Y 型管路， 首先 應(yīng)用 拉格朗日乘子法分析 了 不同流動狀態(tài)下 的最優(yōu) 幾何參數(shù)。然后通過 FLUENT 軟件，建立 Y 型管路 的三維 網(wǎng)格 模型 ， 并尋 找出 考慮局部損失時的 最優(yōu) 幾何 參數(shù)。 最后模擬了四級 T型管路的流動狀態(tài)。 在論文第三章采用經(jīng)驗公式方法分析了 N 級樹狀分形管路的流動換熱特性，并與平行通道冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了比較。 得出下述結(jié)論： (1)在換熱面積相同的前提下，樹狀分形管路的換熱性能并非一定最優(yōu)； (2)在 總的傳熱量和傳熱系數(shù)都相等的前提下樹狀分形管路的泵功消耗低于平行通道冷卻系統(tǒng)。 本文為流體樹狀管路的優(yōu)化和設(shè)計提供了有益的參考。 關(guān)鍵詞 : 樹狀 ； 分形 ；流動 換熱； 最優(yōu)參數(shù) ； FLUENT. 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) IV Abstract Fractal treelike structure is a very mon structure in nature,. with many transport properties. This paper discusses the characteristics of flow and transfer in the fractal treelike structure. The second chapter of this paper simulate the fluid flow of Yshaped channels. ,using FLUENT. For the two Yshaped channels, it discusses the geometric optimal parameters of different flows, through Lagranga multiplier method. Then, using FLUENT to establish threedimensional grid of the Yshaped channels. And find out the geometric optimal parameters, under local losing. Finally, we simulate the flow conditions in the four tubes. The third chapter of this paper analysis the flow and heat transfer characteristics of the Nlevel fractal treelike channels. And paring with parallel channels of cooling system, draw the following conclusions:(1) Under the premise of the same heat transfer area, the heat transfer performance of fractal treelike channels is not necessarily the best。(2)Under the premise of the overall heat transfer and heat transfer coefficients are equal, the pump power of fractal treelike channels is lower then the parallel channels cooling system. In this paper, the results can provide the useful reference for the channels design and optimal operation. Keywords: TreeLike； Fractal； Fluid Flow and Heat Transfer； optimal parameter；FLUENT. 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) V 目 錄 第一章 緒論 1 課題的背景與研究現(xiàn)狀 1 樹狀結(jié)構(gòu)簡介 2 本文主要研究的內(nèi)容和目標(biāo) 4 本文的主要工作 4 第二章 樹狀管路的流動特性模擬 5 FLUENT 軟件簡介 5 管內(nèi)流動的一些基本概念 6 單管流動狀況的計算驗證 8 二級 Y 型管路幾何要素優(yōu)化 14 層流流動狀況 15 湍流光滑區(qū) 17 Y型樹狀管路的 FLUENT模擬優(yōu)化 17 層流狀態(tài)下的 Y型管內(nèi)流動 17 尋求最優(yōu)的分岔角 23 FLUENT 建立多級 Y型模型 29 FLUENT建模分析四級 T型樹狀管路內(nèi)的流動特性 31 第三章 樹狀分形結(jié)構(gòu)水力特性 及熱力特性 34 T 型樹狀管的換熱特性分析 34 微通道內(nèi)的流動為層流 39 微通 道內(nèi)的流動為湍流（ 2020Re20200） 40 微通道內(nèi)的流動為湍流（ 20200Re6000 ?? ） 41 T 型樹狀管路的水動力特性分析 42 管內(nèi)的流動時層流 45 微通道內(nèi)的流動為湍流（ 2020Re20200） 46 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) VI 微通道內(nèi)的流動為湍流（ 20200Re6000 ?? ） 47 結(jié)語 51 致謝 52 參考文獻(xiàn) 53附錄 54 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 1 第一章 緒論 、 課題的背景 與研究現(xiàn)狀 近些年來， 隨著計算機(jī)集成化程度越來越高， 電子元器件日益微元化， 其中的熱問題變得非常突出 ， 今年的 晚會上惠普電腦被爆出計算機(jī)存在嚴(yán)重的散熱問題。 下一代電子芯片的散熱熱流密度將會超過 1000W∕cm2 的數(shù)量級。傳統(tǒng)的空 氣冷卻方式（風(fēng)扇等）難以處理如此高的熱流密度， 因此研究 更有效的微型散熱器變得非常重要 ，它 在性能方面主要有三個方面的要求 ： (1) 流動阻力損失 小，這樣泵功消耗就?。? (2) 冷卻換熱速率高； (3) 溫度分布均勻性 好。 隨著硅微加工技術(shù)不斷成熟和進(jìn)步 , 使 微管道網(wǎng)絡(luò) 的加工 成為可能。 在 80年代 ，Tuckerman 和 Pease ]1[ 首次將微通道蝕刻技術(shù)應(yīng)用于電子芯片的冷卻，并對平行微通道散熱器進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)其散熱強(qiáng)度可高達(dá) 750W/cm2。但后來發(fā)現(xiàn)，這種布局方式會造成芯片表面溫度分布很不 均勻，使得表面熱應(yīng)力很大；而且要進(jìn)一步提高其冷卻能力，就需加大冷卻工質(zhì)流量，這樣一方面會消耗更多的泵功，另一方面泵的噪聲問題也變得比較突出。 有些學(xué)者受生物肺很高的傳熱面積密度啟發(fā)，設(shè)計了樹狀結(jié)構(gòu)換熱器。這種設(shè)計方法可歸為仿生設(shè)計。 Silva ]2[ 和 Bejan ]3[ 等 根據(jù)圓形 電子芯片 的需求 ， 設(shè)計了樹狀結(jié)構(gòu)逆流換熱器 ，如圖 所示。 樹狀結(jié)構(gòu)參數(shù)（逐級管徑比、管長比和分岔角）均為優(yōu)化所得。 陳平 等 [4 ]對 根據(jù)矩形電子芯片的要求，設(shè)計 T 形 樹狀通道結(jié)構(gòu) 的冷卻 系統(tǒng) ，發(fā)現(xiàn) 其 在降低泵功方面有著巨大的潛力。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 圖 逆流換熱器 但是目前對于樹狀管路的冷卻系統(tǒng)性能還存在較大爭議 。 與大部分觀點不同，Escher ]5[ 等 認(rèn)為在流量恒定的情況下，平行管道的冷卻帶走的能量是分形管路的 4倍 之多 。 本文主要 是 探討 樹狀管路 的 流動換熱特性 分析 。 為設(shè)計性能更好的冷卻系統(tǒng)做初步的準(zhǔn)備 。 、 樹狀結(jié)構(gòu)簡介 大自然 中， 如樹木、河流、人體的血液循、肺等等都可以看成是物質(zhì)流動和能量傳遞的運輸系統(tǒng)。盡管它們在不相同的生長環(huán)境 和用途下，它們在結(jié)構(gòu)上都有一個共同的特點：呈分形樹狀分布。并且分形樹狀結(jié)構(gòu)廣泛的存在于生命系統(tǒng)和非生命系統(tǒng)中，這都是大自然長期進(jìn)化和自然選擇的結(jié)果。 常見的樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)有植物軀干網(wǎng)絡(luò)、葉片的脈絡(luò)網(wǎng)絡(luò)、生物組織的血管系統(tǒng)、支氣管樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、河流盆地和 閃電、裂縫網(wǎng)絡(luò)、地下油藏的多孔滲流網(wǎng)絡(luò)等等。如圖 和 所示 ： 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 圖 (a)動脈或者靜脈血管分叉網(wǎng)絡(luò)示意圖 ； (b)典型樹狀雙分叉網(wǎng)型 。 一個樹由小樹苗長成參天大樹，一方面要盡可能的通過自己的根須在土地扎根，吸取土壤中的礦物質(zhì)和水分；另一方面要 不停的伸展自己的枝葉，和太陽光進(jìn)行光合作用獲取能量。 它需減少樹液在自己體內(nèi)管路中流動的摩擦損耗以節(jié)省能量 。它通過枝葉、樹干、根部的分布來盡可能的完善自己的生長。 自然界中樹狀 系統(tǒng) 局部和整體 的幾何要素大都 呈統(tǒng)計 相似 ， 滿足分形特征 。根據(jù) Weibel 和 Mandlbrot ]6[ 的分析 ， 哺乳動物肺部支氣管分叉角大約為 65176。，逐級管徑比大約為 左右 。 而對于毛細(xì)血管，略有 不同 ，逐級管徑比大約為 ；對于我們周圍的 樹木，其逐級管徑比 則為 左右。 實際上，當(dāng)需要從空間中高 效率獲取或釋放能量或質(zhì)量時，又存在一定的材料限