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研究生: 林湘明
Lin, Shiang-Ming
論文名稱: 調控水/奈米流體組合分流量於一毫/微米流道疊置雙層熱沉內強制對流熱散逸效能研究
Forced convection heat dissipation efficacy by controlling concurrent flow rates of water/nanofluid through a mini- and micro-channel stacked double-layer heat sink
指導教授: 何清政
Ho, Ching-Jenq
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2019
畢業學年度: 107
語文別: 中文
論文頁數: 141
中文關鍵詞: 雙層流道熱沉孔單層微米流道熱沉孔奈米流體
外文關鍵詞: double-layer heat sink, single-layer heat sink, Nanofluids
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  • 摘要
      本文旨在以實驗量測的方式探討在一單層微米流道熱沉孔上方疊置一毫米流道熱沉形成之雙層流道熱沉孔對比原本單層微米流道熱沉孔所能提升之熱傳效果及壓降增益,並在單層微米流道熱沉孔及雙層流道熱沉孔之下流道內通純水與1%體積濃度之氧化鋁-水奈米流體(上流道固定通純水),比較不同工作流體對其熱傳及壓降的影響。實驗所製作的雙層流道熱沉孔之上下流道材料皆為無氧銅,在控制上下流道之高寬比相同(皆為2.67)的條件下,上方毫米流道共有8條寬 、高 、長 的流道,其水利直徑為 ;下方微米流道共有24條寬 、高 、長 的流道,其水利直徑為 ,單層微米流道熱沉孔之材料及尺寸皆與雙層流道熱沉孔之下流道相同,並調控單層微米流道熱沉孔之總雷諾數為499.7、995.6及1498.1,換算之總流量為317.02、631.59及950.37 ,將單層微米流道熱沉孔之總流量以不同比例通雙層流道熱沉孔之上下流道,實驗設定之流量比為0.1、0.3、0.6、1、1.1、2、3.7及9,並探討各項物理參數隨流量比的變化。單層微米流道熱沉孔及雙層流道熱沉孔底部皆裝設一加熱模具以模擬等熱通量加熱邊界條件,並控制實驗之入口溫度皆為30℃。實驗結果顯示,於一單層微米流道熱沉孔上方增置一毫米流道熱沉,的確可以大幅降低其所需之壓降,最高之壓降降幅發生於總雷諾數499.7之最高流量比9的情況下,約可降低32倍之壓降,而在熱傳的層面上,最高之熱傳增益發生於總雷諾數995.6之流量比0.3時,約可提升11.7%之熱傳性能。最後,於雙層流道熱沉孔之下流道通1%體積濃度之奈米流體(上流道仍是通純水)來取代純水,實驗結果顯示僅能提升約1.5%之熱傳效果,由於其熱傳提升之幅度在實驗誤差範圍內,因此就誤差分析的角度來看,此熱傳能力的提升不具有任何意義。
    關鍵字:雙層流道熱沉孔、單層微米流道熱沉孔、奈米流體

    SUMMARY
    This paper aims to investigate the double-layer heat sink formed by stacking a millimeter flow channel heat sink over a single-layer micro-channel heat sink in an experimental measurement manner compared with the original single-layer micro-channel heat sink. And adopt the pure water and the 1% volume of alumina-water nanofluid in the single-layer micro-channel and under layer of the double-layer heat sink (the upper layer fixed to the pure water) to compare the effect of fluid on its heat transfer and pressure drop.The experimental results show that the addition of a millimeter heat sink above a single-layer micro-channel heat sink can significantly reduce the required pressure drop. The highest pressure drop occurs at the highest flow ratio 9 of 499.7 total Reynolds number. In this case, the pressure drop can be reduced by about 32 times, and at the heat transfer performance, the highest heat transfer occurs at the flow rate 0.3 of the total Reynolds number of 995.6 , which can improve the heat transfer performance by about 11.7%. Finally, the under layer of the double-layer heat sink is replaced by 1% volume concentration of nanofluid (the upper channel is still pure water), and the experimental results show that only about 1.5% of the heat transfer effect can be improved.
    Key words: double-layer heat sink, single-layer heat sink, Nanofluids

    目錄 摘要 I 致謝 VIII 目錄 IX 表目錄 XIII 圖目錄 XIV 符號說明 XVII 第一章 緒論 1 1-1前言 1 1-2文獻回顧 2 1-3研究動機與目標 7 1-4論文架構 7 第二章 物理模型與數學模式 8 2-1物理模型 8 2-1-1毫/微米流道疊置雙層熱沉強制對流熱散逸系統 8 2-1-2微米流道單層熱沉強制對流熱散逸系統 10 2-2數學模式 12 ‧基本假設 12 2-2-1毫/微米流道疊置雙層熱沉強制對流熱傳遞數學模式 12 ‧統御方程式 12 ‧邊界條件 14 相關無因次變數與參數定義 21 ‧無因次統御方程式 23 ‧無因次邊界條件 25 熱沉熱散逸特性相關物理量定義 33 2-2-2微米流道單層熱沉強制對流熱傳遞數學模式 39 ‧統御方程式 39 ‧邊界條件 40 ‧相關無因次變數與參數定義 44 ‧無因次統御方程式 46 ‧無因次邊界條件 47 ‧熱沉熱散逸特性相關物理量定義 51 第三章 實驗方法與數據處理 57 3-1實驗模組與量測設計 57 3-1-1毫/微米流道疊置雙層熱沉實驗模組 57 3-1-2微米流道單層熱沉實驗模組 59 3-2氧化鋁/水奈米流體製備與熱物理性質測定 62 3-2-1奈米流體製備方法 62 3-2-2奈米流體熱物理性質測定 62 ‧懸浮微粒粒徑大小與分布測定 63 ‧密度量測 64 ‧比熱量測 64 ‧熱傳導係數量測 64 ‧動力黏滯係數量測 65 3-3強制對流熱傳遞實驗迴路與量測步驟 67 3-3-1毫/微米流道疊置雙層熱沉實驗 67 ‧實驗迴路 67 ‧實驗步驟 67 ‧下流道實驗迴路維護 69 3-3-2微米流道單層熱沉實驗 70 ‧實驗迴路 70 ‧實驗步驟 70 ‧實驗迴路維護 71 3-4實驗量測數據處理 72 3-4-1毫/微米流道疊置雙層熱沉實驗 72 3-4-2微米流道單層熱沉實驗 79 第四章 毫/微米流道疊置雙層熱沉強制對流熱散逸特性與性能 94 4-1上下層流道工作流體均為純水之實驗結果 94 4-1-1下層流道壁溫分布 94 4-1-2上層毫米流道散逸熱量比率及上層毫米流道壓降占有效壓降比 95 4-1-3對流熱傳遞係數 96 4-1-4熱沉熱阻 97 4-1-5熱沉壓降與有效壓降/流阻與有效流阻 98 4-1-6性能因子 99 4-2下層流道工作流體為氧化鋁/水奈米流體取代純水之實驗結果 100 4-2-1下層流道壁溫分佈 100 4-2-2上層毫米流道散逸熱量比率及上層毫米流道壓降占有效壓降比 100 4-2-3對流熱傳係數 101 4-2-4熱沉熱阻 101 4-2-5下層流道流阻 102 4-2-6性能因子 102 第五章 毫/微米流道疊置雙層熱沉與單層微米流道熱沉強制對流熱散逸性能評比 116 5-1雙層熱沉上下層流道工作流體均為純水之效能評比 116 5-1-1流道底部無因次壁溫比值 116 5-1-2對流熱傳遞係數增益及壓降降幅 116 5-1-3平均加熱面壁溫熱阻降幅 117 5-1-4效能指標 117 5-1-5性能因子增益 118 5-2雙層熱沉下層流道工作流體為氧化鋁/水奈米流體取代純水之效能評比 120 5-2-1流道底部無因次壁溫比值 120 5-2-2對流熱傳遞係數增益及壓降降幅 120 5-2-3平均加熱面壁溫熱阻降幅 121 5-2-4效能指標 121 5-2-5性能因子增益 122 第六章 結論與未來研究方向 135 6-1結論 135 6-2未來研究方向 138 參考文獻 139   表目錄 表3-1 毫/微米流道疊置雙層熱沉幾何尺寸表 87   圖目錄 圖2-1(a) 毫/微米流道疊置雙層熱沉系統示意圖 55 圖2-1(b) 毫/微米流道疊置雙層熱沉截面圖 55 圖2-2(a) 微米流道單層熱沉系統示意圖 56 圖2-2(b) 微米流道單層熱沉截面圖 56 圖3-1 毫/微米流道疊置雙層熱沉實驗模組爆炸圖 86 圖3-2 毫/微米流道疊置雙層熱沉幾何尺寸圖 87 圖3-3 微米流道單層熱沉實驗模組爆炸圖 88 圖3-4 體積濃度1 vol.%之氧化鋁/水奈米流體其懸浮微粒粒徑大小與強度分佈 89 圖3-5 體積濃度1 vol.%之氧化鋁/水奈米流體其懸浮微粒粒徑大小與體積分佈 90 圖3-6 體積濃度1 vol.%之氧化鋁/水奈米流體其密度隨溫度之變化情形 91 圖3-7 體積濃度1 vol.%之氧化鋁/水奈米流體其比熱隨溫度之變化情形 91 圖3-8 體積濃度1 vol.%之氧化鋁/水奈米流體其熱傳導係數隨溫度之變化情形 92 圖3-9 體積濃度1 vol.%之氧化鋁/水奈米流體其動力黏滯係數隨溫度之變化情形 92 圖3-10 毫/微米流道疊置雙層熱沉實驗迴路圖 93 圖4-1 上下層流道均通純水之雙層熱沉於總雷諾數499.7時之下層流道底部無因次壁溫分佈 103 圖4-2 上下層流道均通純水之雙層熱沉於總雷諾數995.6時之下層流道底部無因次壁溫分佈 103 圖4-3 上下層流道均通純水之雙層熱沉於總雷諾數1498.1時之下層流道底部無因次壁溫分佈 104 圖4-4 上下層流道均通純水之雙層熱沉於各總雷諾數下其上層毫米流道散逸熱量比率及上層毫米流道壓降占有效壓降比與流量比之關係 105 圖4-5 上下層流道均通純水之雙層熱沉於各總雷諾數下其對流熱傳遞係數與流量比之關係 106 圖4-6 上下層流道均通純水之雙層熱沉其最大熱阻與流量比之關係 107 圖4-7 上下層流道均通純水之雙層熱沉其平均熱阻與流量比之關係 107 圖4-8 上下層流道均通純水之雙層熱沉其有效流阻與流量比之關係 108 圖4-9 上下層流道均通純水之雙層熱沉其有效壓降與流量比之關係 108 圖4-10 上下層流道均通純水之雙層熱沉其COP與流量比之關係 109 圖4-11 下層流道通奈米流體之雙層熱沉於總雷諾數499.7時之下層流道底部無因次壁溫分佈 109 圖4-12 下層流道通奈米流體之雙層熱沉於總雷諾數995.6時之下層流道底部無因次壁溫分佈 110 圖4-13 下層流道通奈米流體之雙層熱沉於總雷諾數1498.1時之下層流道底部無因次壁溫分佈 110 圖4-14 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉於各總雷諾數下其上層毫米流道散逸熱量比率及上層毫米流道壓降占有效壓降比與流量比之關係 111 圖4-15 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其對流係數與流量比之關係 112 圖4-16 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其對流係數與流量比之關係 112 圖4-17 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其熱傳係數與流量比之關係 113 圖4-18 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其最大熱阻與流量比之關係 113 圖4-19 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其平均熱阻與流量比之關係 114 圖4-20 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其下層流道流阻與流量比之關係 114 圖4-21 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其COP與流量比之關係 115 圖5-1 上下層流道均通純水之雙層熱沉與通純水之單層熱沉於總雷諾數499.7時之流道底部無因次壁溫比值 123 圖5-2 上下層流道均通純水之雙層熱沉與通純水之單層熱沉於總雷諾數995.6時之流道底部無因次壁溫比值 123 圖5-3 上下層流道均通純水之雙層熱沉與通純水之單層熱沉於總雷諾數1498.1時之流道底部無因次壁溫比值 124 圖5-4 上下層流道均通純水之雙層熱沉於各總流量下其對流熱傳遞係數增益及壓降降幅與流量比之關係 125 圖5-5 上下層流道均通純水之雙層熱沉其平均熱阻降幅與流量比之關係 126 圖5-6 上下層流道均通純水之雙層熱沉於各總流量下其FOM與流量比之關係 127 圖5-7 上下層流道均通純水之雙層熱沉其COP增益與流量比之關係 128 圖5-8 下層流道通奈米流體之雙層熱沉與通純水之單層熱沉於總雷諾數499.7時之流道底部無因次壁溫比值 128 圖5-9 下層流道通奈米流體之雙層熱沉與通純水之單層熱沉於總雷諾數995.6時之流道底部無因次壁溫比值 129 圖5-10 下層流道通奈米流體之雙層熱沉與通純水之單層熱沉於總雷諾數1498.1時之流道底部無因次壁溫比值 129 圖5-11 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其對流係數增益與流量比之關係 130 圖5-12 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其對流係數增益與流量比之關係 130 圖5-13 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其熱傳係數增益與流量比之關係 131 圖5-14 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其壓降降幅與流量比之關係 131 圖5-15 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其平均熱阻降幅與流量比之關係 132 圖5-16 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其FOM與流量比之關係 132 圖5-17 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其FOM與流量比之關係 133 圖5-18 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其FOM與流量比之關係 133 圖5-19 下層流道通奈米流體/純水之雙層熱沉其COP增益與流量比之關係 134

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    下載圖示 校內:2024-08-31公開
    校外:2024-08-31公開
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