【摘 要】
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随着微电子、航空航天等领域技术的不断推进,各种机械电子设备由常规尺度转向高度微型化、集成化方向发展,导致设备单位体积发热功率增大,内部空间越来越紧凑,热量的散失越来越困难。传统换热器由于体积大、换热效率低下,难以应用于紧凑的空间当中,因而尺寸小、重量轻、换热性能高效的微通道换热器应运而生。现阶段微通道换热器普遍采用腐蚀刻槽与扩散焊接相结合的工艺制备,然而腐蚀刻槽工艺只能制备常规截面流道,扩散焊接工
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随着微电子、航空航天等领域技术的不断推进,各种机械电子设备由常规尺度转向高度微型化、集成化方向发展,导致设备单位体积发热功率增大,内部空间越来越紧凑,热量的散失越来越困难。传统换热器由于体积大、换热效率低下,难以应用于紧凑的空间当中,因而尺寸小、重量轻、换热性能高效的微通道换热器应运而生。现阶段微通道换热器普遍采用腐蚀刻槽与扩散焊接相结合的工艺制备,然而腐蚀刻槽工艺只能制备常规截面流道,扩散焊接工艺无法避免地产生焊缝,引入额外热阻。而激光选区熔化技术可以实现任意形状实体的成形,成形件力学性能优良,水密性好,使结构更复杂、性能更高效的换热结构的制备成为了可能。因此本文通过有限元仿真方法对较复杂换热结构的微通道换热器进行了设计与优化,利用SLM增材制造系统对微通道模型进行了制备,并将成形件在热工性能测试平台进行了实验,为SLM增材制造技术在复杂结构换热器领域的应用提供了一定的参考价值。（1）为了研究不同截面形状的微通道内部介质流动特性与换热性能,利用ANSYS Fluent软件分析了圆形、正方形、半圆形、椭圆形四种截面微通道模型。采用PEC评价法评价了各微通道的换热性能。结果表明,雷诺数Re相同的条件下,椭圆形微通道努塞尔数Nu最高,PEC因子最高,拥有最佳的综合换热效率。（2）为进一步提高微通道综合换热性能,研究不同长短轴比k、水力直径D的椭圆截面微通道内部介质换热特性与流动特性的影响。结果表明,一定雷诺数Re条件下,随着长短轴比k的增大,微通道努塞尔数Nu增大,压降ΔP增大,摩擦阻力系数f增大。在水力直径为2mm时,长短轴比k=2.0的微通道拥有最高的PEC值。（3）在确定最佳水力直径、长短轴比的基础上,研究纽带螺距L、纽带边数对微通道内部介质换热特性与流动特性的影响。结果表明,雷诺数一定时,随着螺距的增大,纽带强化管努塞尔数减小、阻力系数减小。纽带边数越大,热交换能力越强,同时阻力系数越大,在雷诺数1000～2000条件下双边纽带PEC因子更高,在雷诺数3000～5000工况下单边纽带PEC因子更高。（4）为使得微通道内部工作介质在多条平行流道内流量分配均匀,研究分流板结构对介质流量分配特性的影响。对比分析了流量自由分配工况、Ⅰ型等孔径分流板、Ⅱ型非均匀变孔径分流板与Ⅲ型均变孔径分流板对流量分配均匀度的影响。结果表明,所设计的Ⅲ型分流板对流量的分配均匀度最差,所设计的Ⅱ型分流板对流量的分配均匀度最好,相对于不加分流板工况条件下将总不均匀度降低了61.6%～63%。（5）将换热器CAD模型进行前处理,导入增材制造系统中进行制备,经过后处理后在热工性能实验平台上进行换热系数的测定,并与换热器整体仿真计算结果进行对比,从而验证数学模型和数值模拟方法的正确性。结果表明:5组实验结果的热平衡误差范围为0.13%～1.16%,符合JB/T10379-2002标准给出的依据（ΔQ≤5%）,实验方法正确,结果可靠。仿真结果偏差范围为0.75%～1.61%,可认为数值模拟方法正确。
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