在矩形微通道中完全发展的层流和热传递的实验研究
摘要：本文探讨了基于常规大小通道的相关理论用于预测微通道中的流体流动和热传递特性的有效性，。实验记录了通过10个不同的矩形hydraulic微通道的流体流动阻力和热行为，水力直径为155-580微米，长宽比为0.25-3.8，雷诺数范围从30到2500。微通道中的单相层状摩擦系数符合常规的Poiseuille流动理论。实验将临界雷诺数从1700增加到2400，纵横比从1.0减少到0.25，验证了两种传热方式的存在。在Relt;180时，实验Nusselt数低于理论值，且随雷诺数的增加而迅速增加。当Regt;180，Nusselt数开始超过理论值，同时其随雷诺数的增加速度显着减缓。在该区域中，当纵横比大于1.0时，采用Nusselt数的理论值作为矩形微通道的估量被评价是合理的。
关键词：完全发展的层流；矩形微通道；摩擦系数；临界雷诺数；对流传热系数
1. 前言
微通道散热器的新概念由Tuckerman和Pease（1981）提出，通过进行广泛的实验和理论研究以满足微系统的热力学和液体压力控制的需求，包括微型散热器，微反应器和微燃料单元。微通道的传热面积与流体体积的过高比率导致在流体和固体表面之间的相对较小的温度差下更大的热耗散。
在有或不具有相变的微通道中从物理上理解流体流动和热传递的发展对于微系统的最佳设计和有效操作是必要的。在调查的早期阶段，许多实验结果被用来对经典理论的预测结果进行比较，这些经典理论的可靠结果已经被用来建立宏观通道。层流和湍流条件下的摩擦系数和传热系数，包括临界雷诺数，都是被用来比较的参数。
然而，实验结果和理论值之间的差异造成了被公布的数据的不一致，这一现象促使人们开展不同的系统分析( Hetsroni等人2005a，b； Rosa等人2009； Asadi等人2014 ) 。开发流动，入口和出口压力损失，沿着通道的热物理性质的变化，粘度造成的内部发热，在流体和固体中热的轴向传导，通道壁的表面粗糙度，测量精度等因素被认为是实验研究之间的分歧来源。由于实验条件和精确测量方法的改良，微通道的制造得到了很好的改进，近年来基于常规理论的微通道中的流体流动得到了改善。
Steinke和Kandlikar（2006）为文献中入口、出口损失和发展中的流动校对了压降测量数据。 被校正的数据表明层流流动的常规理论在价值和趋势方面具有良好的初步一致性。Hrnjak和Tu（2007）研究了通过矩形微通道完全发展的液体和气体。他们确定当通道表面粗糙度较低时，层流摩擦系数和临界雷诺数接近常规值。此外，他们认为表面粗糙度是造成较高的层流摩擦和流体更早的转变为湍流的原因。Dirker等人（2014）对矩形微通道中的热传递和压降进行了实验研究，确定临界雷诺数在1800-2000之间为突然收缩入口类型，绝热摩擦系数通过Shah和London（1978）矩形宏观通道的相关性预测。
对于微通道中的单相对流热传递，已发表的实验研究之间的差异与常规理论的偏差几乎没有减少。通常，固体壁温度的不同定义和在微通道中开发流的不同影响导致在公开数据中Nusselt数比较的复杂化。
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