李永 ，吕明明* ，刘志刚 ，祝叶

(1. 齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院能源研究所，山东 济南 250014；2. 江苏省节能工程设计研究院有限公司，江苏 南京 210007)

随着微电子领域设备集成度的提高，微小空间散热问题凸显，严重影响微电子设备的运行。微柱群作为一种高效微型散热结构，以其高面体比、高传热效率等优点，在微小空间散热领域受到高度关注[1-2]。大量研究表明，微柱群结构具有显著的强化换热能力[3-4]。然而受流体绕流微柱体的影响，其内部流动阻力也相对较高，这使得微柱群结构的强化传热效果受制于外界动力条件，严重阻碍了微柱群散热结构的应用。掌握流体在微柱群内部的流动特征，是实施微柱群通道减阻的基础。

本文微柱群由不同排列方式的多个微圆柱组成，流体通过微柱群为流体绕流多个微圆柱的过程。圆柱绕流是流体力学中一个经典而复杂的问题，广泛存在于水利工程、航空航天、建筑工程等领域。冯·卡门较早从理论上研究了流体绕流圆柱产生涡街的稳定性，此后众多学者对圆柱绕流现象进行了研究[5-14]。研究手段包括热线风速仪(HWA)、激光多普勒测速仪(LDV)以及粒子图像测速技术(PIV)等。其中，PIV是一种瞬态、非接触式、整场定量测速技术，非常适用于流场测量。由于圆柱绕流问题的复杂性，研究者针对单圆柱绕流问题进行了大量研究。涂成旭等[5]利用PIV技术测量了单圆柱绕流流场中的涡结构并分析了涡结构变化机制。孙姣等[6]利用PIV技术对旋转圆柱绕流问题进行了研究，分析了绕流物体旋转对尾流结构的影响。Williamson等[7-8]总结了静止和振动圆柱绕流的PIV实验研究，分析了回流区尾涡的形成机理。Goharzadeh等[9]采用二维PIV技术研究了Re为7 670时流体绕流直径为22 mm的单圆柱的速度场分布，在圆柱尾流区观察到了经典的卡门涡街。Oruç等[10]利用PIV展示了不同Re下单圆柱尾流区由于剪切层脱离圆柱表面而产生的涡结构，并通过考察流场的涡量、雷诺应力以及湍动能等参数，证明了在圆柱周围布置水滴型网状结构对圆柱绕流过程中涡形成的有效抑制作用。相比于单圆柱绕流，多圆柱绕流的尾流存在相互作用，流场更加复杂。陈波等[11-12]对串列和并列双圆柱尾迹规律进行了研究，表明壁面与圆柱间的距离以及圆柱之间的距离对绕流流场及涡脱落具有显著影响。Ozturk等[3]采用PIV技术对管板式换热器中直径为50 mm的错排圆柱群通道内的流动情况进行了研究，结果表明在圆柱根部形成马蹄形涡，圆柱表面涡的脱落具有准周期性，相同Re下柱群通道内的湍动能较单柱群通道大，从而说明柱群的换热效果更好。

本课题组前期已对微柱群通道内流动特性进行了研究[15-16]，得到了不同Re下的流动阻力，然而，微柱群内部的流动特征仍不清楚。本文利用Micro-PIV流场测试系统，研究不同Re(100～450)下水流过圆形截面微柱群通道的流场分布以及尾流区涡演变规律。

1 实验系统及方法

图1 Micro-PIV测试系统原理图Fig.1 Schematic diagram of Micro-PIV test system

1.1 实验系统

本研究采用Micro-PIV实验系统对微柱群内流场进行测试，测试原理如图1所示。所测流体中分散具有良好跟随性和散射性的示踪粒子，由激光器发射的光束照射所测流场，CCD相机同步记录前后时刻的粒子位移，通过计算粒子位移和时间间隔，可以计算出粒子速度。

实验系统由光源系统、显微成像系统、图像采集系统、同步控制系统和数据处理系统组成。主要硬件设备包括激光器(YAG200-15-QTL，美国TSI)、CCD相机(PowerView Plus，美国TSI)、倒置显微镜(IX73，日本Olympus)以及同步控制器，其中激光器产生波长532 nm的光线。Micro-PIV系统的硬件控制、图像采集及数据处理由INSIGHT 3G软件完成。通过微量注射泵进行流量设定，以控制流体流过微柱群通道的流速。

相比于常规尺寸流场测试的PIV实验，应用于微通道Micro-PIV实验的示踪粒子尺寸也要小，通常在几个微米。而粒子尺寸越小，其布朗运动也越突出。为了防止因溶液带电而发生粒子结团，本实验中流体采用去离子水。实验所采用的示踪粒子为三聚氰胺甲醛树脂微球(武汉华科微科科技有限责任公司)，平均直径为2 μm，密度为1.51 g/cm3，该粒子吸收532 nm的激光后能激发出610 nm的红光。

1.2 实验段

微柱群通道实验段以紫铜为基底，采用机械加工制作。在热沉微通道中设置与工质流动方向相垂直的微柱体，采用机械加工技术加工微柱群。因为错排排布的微柱群比顺排方式换热效果好，所以本文微柱群排布方式采用错排排布。实验段结构如图2所示，几何参数见表1。根据PIV测速原理，激光光束需要穿透流体，所以在通道的上面采用透明玻片进行密封。由于机械加工精度有限，所以在部分微圆柱顶端与玻片之间存在缝隙，会有少量流体通过，对绕流流场产生一定影响。实验时根据图像观察，选取密封较好的流场区域进行分析。

图2 微柱群实验段结构图Fig.2 Structure of experimental section with micro-cylinder-groups

LWHDSTSL473.50.50.40.81.2

本文主要对不同Re下微柱群的绕流流场进行测量，Re的大小主要取决于流量的设定。微柱群通道中Re由下式计算得到：

(1)

图3 Re=200的微柱群通道内的速度场Fig.3 Velocity field in the channel with micro-cylinder-groups at Re=200

本文采用水力直径作为微柱群的特征尺寸；umax为流体流过通道最小截面的流速，计算公式为：

(2)

2 结果与讨论

利用本实验系统，考察了Re=100～450下微柱群通道内的速度场和流场结构。

图3为Re=200时微柱群通道内部分区域的速度场分布。由图可以明显看出在微圆柱体周围，特别是迎风区和背风区出现速度较低区域。众所周知，流体绕流圆柱时，会在其周围形成边界层。在常规尺度下，相比绕流物体，边界层厚度较小，基本可以忽略。而在微尺度下，边界层厚度可与绕流物体特征尺寸在同一数量级，所以在本研究微肋通道内可以明显看到边界层内的低速区。而圆柱微肋背风区的低速区域大于迎风区，是因为在一定Re下，绕流微柱体的流体边界层发生分离，流体在背风区尾迹发生回流，产生涡结构。

为了更清楚地了解微通道内流体绕流微柱群的流场结构，我们做出了不同Re下的时均流线图。图4为不同Re下微柱群通道内流体绕流的流线图。由图4可以看出，当Re>100时，在最中间微圆柱体的背风区产生流体回流现象。通过实验可以观察到，当Re达到250的时候圆柱尾部出现了基本对称的涡结构，随着Re的进一步增加，当Re≥300时，微圆柱体尾部出现了2个小旋涡。而在常规尺度下，当5

图4 不同Re下微柱群通道内的流线图Fig.4 Streamline in the channel with micro-cylinder-groups at different Reynolds numbers

图4中间微圆柱尾部回流长度L随Re的变化曲线如图5所示。由图5可以看出，回流长度随Re的增加而增大。Re越大，表示来流速度也越大，回流区域外侧动能越大，向下游流动的距离越远，从而使得回流区域向下游扩展，所以微圆柱尾部回流长度增加。

图5 不同Re下中间微圆柱的回流长度Fig.5 Backflow lengths of the middle micro-cylinder in the channel at different Reynolds numbers

3 结语

(1)在本研究范围内，当Re>100时，微柱群最中间圆柱微肋背风区产生回流现象，当Re达到250时形成基本对称的涡结构，随着Re的进一步增加，尾流区出现2个小旋涡。相比于常规尺度，微尺度下柱体绕流过程中边界层分离现象相对于宏观尺度有一定的滞后性。

(2)受微通道两侧壁面与微圆柱体排布位置不对称的影响，微柱群内微圆柱绕流尾迹具有不对称性。

(3)随着Re的增大，即来流速度增大，回流区域外侧动能增大，微圆柱体尾部回流长度增加。