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,388 北京科技大学学报 第32卷 差减小，气体与壁面间的换热减弱，故而温度变化不 面之间的热流密度在出口处回升 明显；在通道出口处由于压降较大，温度又发生了较 通过与光滑微通道（工况1）比较，还能明显地 明显的下降，粗糙元越大，分布越密，中心线处的温 看出，粗糙微通道壁面热流密度的跳跃十分明显，且 度也就越高，这说明，粗糙元的存在可以使通道内 热流密度小的位置对应于粗糙元的表面，而热流密 的气体达到更高的温度，并且，粗糙元越多、越大， 度较大的位置对应于粗糙元之间的通道壁面， 气体所能达到的温度也就越高，通过图中还可以得 为了方便比较，本文计算了各工况微通道壁面 到，粗糙元较小、较少时，相对于光滑微通道，粗糙元 的热流量和质量流量，见表4 对通道内气体温度跳跃的影响越大（工况2、3），随 表4通道内平均热流量与质量流量 着粗糙元的增大增多，通道内的气体温度虽然进一 Table 4 Average heat transfer rate ofm icmo-fows and mass fhxes 步升高，但温度跳跃量增加不大（工况56和7） 工况 12345 6 7 345 热流量13.1813.0612.7212.3211.3412.0210.77 340 质量流量kg)3.983.573.392.882.792.572.63 335 从表中可以看出：随着粗糙元增大和加密，微通 330 道内的平均热流量和质量流量均呈下降趋势；质量 ◆一工况1 *-工况2 流量的减小，主要是由于粗糙元的阻力效应引起的， 0 +一工况3 --工况4 随着粗糙元的增大和增多，通道的壁面热流虽 315 -。一工况5 然减小，但是由于通道内的质量流量也相应减少，单 310 0-工况6 +-工况7 位质量的气体吸收热量反而增多，这就解释了随着 305 粗糙元的增大和增多通道内的气体温度升高的 3006 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 原因 X/um 图10各工况微通道中心线处的温度分布 5结论 Fig 10 Change in temperature alng the centerline of m icmchan nels n Cases l to 7 (1)粗糙元对微通道内的流动、换热扰动显著： 随着粗糙元尺寸的增加和个数的增加，扰动更为 4.2.2热流密度 剧烈， 图11所示的为微通道的壁面热流密度，由图 (2)粗糙微通道内的壁面速度滑移小于光滑微 中可以看出，沿着气体流动的方向，壁面的热流密度 通道；随着粗糙元的增大和增多，速度出现更为严重 总体呈下降趋势，在出口处有一小段上升.这是因 的跳跃，甚至出现漩涡，增加了通道内的压力损失， 为，沿着气体流动的方向由于气体一直被壁面加热， (3)微通道的进、出口处温度变化明显：进口处 气体的温度不新升高，与壁面的温差减小，因此气体 温度剧烈升高，出口处温度下降.随着粗糙元尺寸 与壁面之间的热流密度逐渐减小；在出口附近，气体 和个数的增加，通道内气体的温度升高， 的温度下降，与壁面之间的温差变大，因此气体与壁 (4)粗糙元的存在导致微通道的质量流量和壁 工况1 面平均热流密度减小. ·工况2 +工况3 。通道壁面 参考文献 [1]Zhou J Prediction of F low and Heat Transfer in M icm Scale Chan nel w ith Dimet Smulation Monte Carlo Method Dissertation ] ,粗糙元表面 Xi'an:Xi'an Jiaolong University 2004 435158)13美4511年9 (周靖，用直接模拟蒙特卡洛法计算微通道中的流动与换热 [学位论文1西安：西安交通大学，2004) 0.5 1.01520253.0 [2]Wang H L W ang Y.Liu J Pertubation analysis of wall mough- X/um ness effect on flow in m icmo-channel beteen wo parallel plates J 图11工况1、2和6微通道壁面热流密度 Xian Jiaotong Univ 2005 39(1):540 Fig 11 Heat fhx at the surface abng the flw direction in Cases l. (王吴利，王元，刘江平板微通道壁面粗糙度对流场影响的摄 2 and 6 动分析.西安交通大学学报，200539(5)：540)北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 差减小气体与壁面间的换热减弱故而温度变化不 明显；在通道出口处由于压降较大温度又发生了较 明显的下降．粗糙元越大分布越密中心线处的温 度也就越高．这说明粗糙元的存在可以使通道内 的气体达到更高的温度．并且粗糙元越多、越大 气体所能达到的温度也就越高．通过图中还可以得 到粗糙元较小、较少时相对于光滑微通道粗糙元 对通道内气体温度跳跃的影响越大 （工况 2、3）随 着粗糙元的增大增多通道内的气体温度虽然进一 步升高但温度跳跃量增加不大 （工况 5、6和 7）． 图 10 各工况微通道中心线处的温度分布 Ｆｉｇ．10 Ｃｈａｎｇｅｉｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｌｏｎｇｔｈｅｃｅｎｔｅｒｌｉｎｅｏｆｍｉｃｒｏ-ｃｈａｎ- ｎｅｌｓｉｎＣａｓｅｓ1ｔｏ7 4∙2∙2 热流密度 图 11 工况 1、2和 6微通道壁面热流密度 Ｆｉｇ．11 ＨｅａｔｆｌｕｘａｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅａｌｏｎｇｔｈｅｆｌｏｗｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｎＣａｓｅｓ1 2ａｎｄ6 图 11所示的为微通道的壁面热流密度．由图 中可以看出沿着气体流动的方向壁面的热流密度 总体呈下降趋势在出口处有一小段上升．这是因 为沿着气体流动的方向由于气体一直被壁面加热 气体的温度不断升高与壁面的温差减小因此气体 与壁面之间的热流密度逐渐减小；在出口附近气体 的温度下降与壁面之间的温差变大因此气体与壁 面之间的热流密度在出口处回升． 通过与光滑微通道 （工况 1）比较还能明显地 看出粗糙微通道壁面热流密度的跳跃十分明显且 热流密度小的位置对应于粗糙元的表面而热流密 度较大的位置对应于粗糙元之间的通道壁面． 为了方便比较本文计算了各工况微通道壁面 的热流量和质量流量见表 4． 表 4 通道内平均热流量与质量流量 Ｔａｂｌｅ4 Ａｖｅｒａｇｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｒａｔｅｏｆｍｉｃｒｏ-ｆｌｏｗｓａｎｄｍａｓｓｆｌｕｘｅｓ 工况 1 2 3 4 5 6 7 热流量／Ｗ 13∙1813∙0612∙7212∙3211∙3412∙0210∙77 质量流量／（ｋｇ·ｓ —1 ） 3∙98 3∙57 3∙39 2∙88 2∙79 2∙57 2∙63 从表中可以看出：随着粗糙元增大和加密微通 道内的平均热流量和质量流量均呈下降趋势；质量 流量的减小主要是由于粗糙元的阻力效应引起的． 随着粗糙元的增大和增多通道的壁面热流虽 然减小但是由于通道内的质量流量也相应减少单 位质量的气体吸收热量反而增多这就解释了随着 粗糙元的增大和增多通道内的气体温度升高的 原因． 5 结论 （1）粗糙元对微通道内的流动、换热扰动显著； 随着粗糙元尺寸的增加和个数的增加扰动更为 剧烈． （2）粗糙微通道内的壁面速度滑移小于光滑微 通道；随着粗糙元的增大和增多速度出现更为严重 的跳跃甚至出现漩涡增加了通道内的压力损失． （3）微通道的进、出口处温度变化明显：进口处 温度剧烈升高出口处温度下降．随着粗糙元尺寸 和个数的增加通道内气体的温度升高． （4）粗糙元的存在导致微通道的质量流量和壁 面平均热流密度减小． 参 考 文 献 ［1］ ＺｈｏｕＪ．ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＦｌｏｗａｎｄＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒｉｎＭｉｃｒｏ-ＳｃａｌｅＣｈａｎ- ｎｅｌｗｉｔｈＤｉｒｅｃｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＭｏｎｔｅＣａｒｌｏＭｅｔｈｏｄ ［Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ］． Ｘｉ’ａｎ：Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ2004 （周靖．用直接模拟蒙特卡洛法计算微通道中的流动与换热 ［学位论文 ］．西安：西安交通大学2004） ［2］ ＷａｎｇＨＬＷａｎｇＹＬｉｕＪ．Ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗａｌｌｒｏｕｇｈ- ｎｅｓｓｅｆｆｅｃｔｏｎｆｌｏｗｉｎｍｉｃｒｏ-ｃｈａｎｎｅｌｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏｐａｒａｌｌｅｌｐｌａｔｅｓ．Ｊ ＸｉʾａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖ200539（1）：540 （王昊利王元刘江．平板微通道壁面粗糙度对流场影响的摄 动分析．西安交通大学学报200539（5）：540） ·388·