Интенсификация конвективного переноса теплоты в микроканальных теплообменных элементах с использованием матрицы из нитевидных монокристаллов кремния

Использование управляемой технологии выращивания нитевидных монокристаллов на кремниевой подложке позволяет создавать матрицы микропористых структур с регулярной геометрией, что имеет преимущество в сравнении со стохастическими пористыми средами по гидравлическим характеристикам, обеспечивая требуемую теплопередачу при охлаждении поверхностей с высоким удельным тепловыделением. Разработанная математическая модель теплопереноса в микроканальных элементах с регулярной матрицей из нитевидных монокристаллов кремния, учитывающая локальный теплообмен и геометрию матрицы, позволила получить детальную картину стационарных температурных полей матрицы и теплоносителя, а также определить неоднородность температурного поля охлаждаемой поверхности с идентификацией числа Нуссельта в аксиальном направлении движения теплоносителя. Вычислительный эксперимент на базе пакета ANSYS позволил уточнить локальную гидродинамическую структуру течения теплоносителя и показать, что влияние частоты шахматного расположения монокристаллов кремния в диапазонах 0,2 x 0,2; 0,4 x 0,4 и 0,6 x 0,6 мм не оказывает существенного влияния на перемешивание теплоносителя при его течении через теплообменный элемент. Подтверждено использование модели идеального вытеснения при описании теплообмена в теплообменном элементе с регулярной матрицей из нитевидных монокристаллов кремния. Проведенные экспериментальные исследования на специально спроектированной и созданной пилотной установке подтвердили корректность принятых допущений при разработке математической модели и ее адекватность. На основе экспериментальных данных предложены обобщающая критериальная зависимость для определения локального коэффициента теплоотдачи и эмпирическая формула для расчета потерь давления в зависимости от расхода теплоносителя. Предложенная инженерная методика позволила спроектировать и создать микроканальный теплообменник с регулярной матрицей из нитевидных монокристаллов кремния, который показал высокую эффективность при его использовании в системе охлаждения радиоэлектронной аппаратуры.