液态金属流体的换热系数优化：如何提高？

如下比较相同条件下液态金属与普通流动工质（以水为例）的换热性能。基于这样的目的，可对比液态金属和水在水力充分发展段的对流换热系数，至于其他换热介质，也可采用类似方法加以分析。

在恒热流密度条件下，对圆形截面，液态金属流动的无量纲换热系数可表示为［4］：

式中，Pe为贝克利数，它是雷诺数Re和普朗特数Pr的乘积，即Pe=RePr。该公式相对简单，但精度在可接受范围内。对不同的截面，表8-3列出了液态金属的Nu典型表达式。D2、D1分别为圆环的外径和内径。

在热管理中，评价一种换热介质的换热能力强弱，通常用对流换热系数h来评价。对流换热系数h是单位时间单位面积温差为1℃时的换热量，其与Nu的关系为：

此处，λ为流体导热系数，d为流道的当量直径。对圆管的换热，即为管道的直径。为比较液态金属和水在相同条件下的对流换热系数，可由式（8-25）得此处，hlm，λlm，Nulm表示液态金属的对流换热系数，导热系数和Nu数。hwater，λwater，Nuwater为水的对应参数。

在恒热流边界条件下，对水来说Nuwater=4.36［3］；恒温边界条件下，Nuwater=3.66［3］。因此，恒热流边界条件下，圆管中液态金属与水的换热系数之比为

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表8-3　文献中不同横截面积液态金属流动Nu关系式［4］

对恒温边界条件，圆管中

考虑到

所以有，

上式说明，液态金属用作流体换热介质，其对流换热系数远远大于水的换热系数，考虑到水是常规液体中导热系数很高的流体，不失一般性，可以认为液态金属的流动换热系数大于所有常规换热介质。因此，液态金属用作流体换热介质，有望在芯片冷却方面发挥重要作用。