对流换热机制及特点

对流换热发生在固体表面和相邻的移动流体间，对流换热有两种机制：分子的无规则运动（扩散）和流体中大量分子的宏观运动。离固体表面最近处的流体因其与固体发生相互作用而速度为零。从这里开始，流体的速度逐渐增长至V∞。类似地，温度由固体表面温度T_S变化至流体宏观温度T∞。这些区域被称作速度边界层和热边界层，其大小无须相同。

对流换热可为自然对流或强制对流。自然对流是温度变化引起的流体密度差所致。强制对流通过采用外力使流体运动而获得。例如电子领域中，强制对流可通过风扇或泵获得，风扇用于使气体流动，而泵则用于液体。根据流体的流动机制，对流换热也可分为层流式对流换热和湍流对流换热。层流的特点是压降低，流体内部的混合可忽略。层流发生在低流速和小尺寸范围情况下。随流速增加，流动变得不稳定，并出现旋涡，在某一点上流动形态变为湍流。与层流相比，湍流的压降高得多，但流体内的热传递也会混合得更好。因其尺寸小和流速低，电子系统中的流体流动通常为层流，电子工程中大多数经验方法就建立在这个假设之上。

可采用雷诺数来决定流动的类型。雷诺数是描述流体中运动学和粘性力之比的无因次数。特定雷诺数下，流体流动的类型会由层流变为湍流。流动的几何形状不同，流动由层流变为湍流的雷诺值也不同。

由雷诺数的定义可知，流动的几何尺寸较小，则雷诺数会相应地较小，这一点在微流体芯片中得到应用。雷诺数定义如下：

层流可由N-S方程和动量方程来描述。N-S方程描述了不同方向上速度v、u、w和压力p的关系，N-S方程为连续性方程，有(www.xing528.com)

x、y、z方向的动量方程为

这是一系列耦合方程，在实际中很难求其解析解。因而采用计算流体力学（CFD）来解决流动问题。对于不可压缩、粘度均匀、小温差的牛顿流体，其对流换热系统可用连续性和动量方程来描述。若流体可压缩或热流量不稳定，则至少需额外增加一个方程。

17.2.2.1 微通道中的流动

“微”可用来形容水力直径为十到几百毫米的通道。微观流体力学与宏观流体力学不同。N-S方程和其他流体力学模型的基础是流体可被当作连续统一体这一假设。然而随流体的尺寸减小，流体系统中分子的数量会减少；当流体的尺寸达到某一个尺寸极限值时，流体中各分子与周围固体壁面发生相互作用的可能性会比与其他流体分子发生相互作用的可能性高。这种情况下，把将流体当作连续统一体进行建模就会不准确，而应把流体当作独立分子的集合体进行建模。Nguyen^[8]认为，对水而言，这一尺寸极限值大约为10nm。当流体的尺寸很小和剪切率高时，流体的牛顿特性就会大大减弱，且不能使用流体和固体壁面间的无滑移边界条件。据Nguyen所述，流体达到这一尺寸极限时的剪切率远在实验设备所能获得的剪切率之上。然而，最近对圆形和矩形截面微通道进行^[9，10]的实验显示，在宏观和微观两种尺度下，流体流动由层流向湍流的转变发生时的雷诺数相同。