新型鳍状射流热沉中流动及传热特性的研究

发布时间：2020-04-21 07:39

【摘要】：随着当今信息的发展,电子产品已成为人们日常工作和生活中不可或缺的辅助工具,随着其工作性能的提高以及体积微小型化,其核心部件—CPU(芯片)的发热功率由原来的0.05W增长到87W,对其散热要求也越来越高,在传统空气冷却方式下,已经无法满足高热负载的电子产品散热需求,迫切需要研发出一种新型高效冷却热沉对其进行降温。因此,针对高热负载下的小型电子元器件散热问题,本课题设计了一种新型鳍状结构微小射流热沉,并对其内部流动与传热特性展开实验和数值研究,具体研究内容如下:(1)搭建了新型鳍状结构微小射流热沉换热系统的实验台,对其内部传热和流动特性及性能展开实验研究。实验系统主要由新型鳍状结构微小射流热沉、风机、恒温水浴和数据采集仪等组成,采用空气作为冷却介质,重点研究了热沉入口空气温度、流量、热流密度、冲击高径比H/D和平均射流雷诺数Re_(a,j)等参数对热沉内部流动和传热特性及性能的影响。实验结果表明:入口温度对新型鳍状结构微小射流热沉传热有明显影响,在射流冲击高径比、热流密度和入口流量等参数不变的条件下,被冷却表面平均温度随着入口空气温度的升高而升高;当入口空气温度等参数不变时,热流密度对被冷却表面平均温度有明显的影响,被冷却表面平均温度随着热流密度的增大而升高;在入口流量和热流密度等参数恒定的条件下,射流高径比H/D对热沉流动和传热特性及性能有较大的影响,平均努塞尔数随射流高径比的增大而减小,在6≤H/D≤14范围内,被冷却表面的平均温度随冲击高径比H/D的增大而升高;在热流密度等参数不变的工况下,射流雷诺数对热沉内部流动和换热及性能产生较大影响,被冷却表面平均温度随着射流雷诺数的减小而升高,平均努塞尔数随着平均射流雷诺数的减小而减小。(2)对新型鳍状结构微小射流热沉内部流动和换热特性及其性能展开数值研究。建立了几种结构的新型鳍状微小射流热沉的三维物理和数学模型,采用有限体积法建立离散方程组,使用SIMPLEC算法对离散方程组进行求解。数值分析了模型结构、射流高径比、热流密度和射流雷诺数对热沉换热特性和流动特性及性能的影响。结果表明:射流雷诺数对热沉内部流动和换热特性产生较明显的影响,随着射流雷诺数的增大,被冷却表面平均温度逐渐降低,换热效果明显提升;在热负荷和入口介质流量等参数不变的工况下,发现有微小通道结构热沉的被冷却表面温度相对较低;当射流高径比等参数不变时,热流密度对被冷却表面平均温度有较大的影响,被冷却表面的平均温度随热流密度的增加而升高。实验与数值研究结果发现,当入口空气流量_vq为160cm~3/s~260cm~3/s,平均温度为15℃~26℃,热流密度q为0.17 W/cm~2~3W/cm~2时,得到系统压损为200~800Pa;射流换热系数为1200~2000 W/m~2·K;被冷却表面平均温度_mT为30~70℃,实验结果与数值研究结果的偏差为0.18~5%;通过计算热沉的性能发现,肋效率η_f为80%~98%;热阻R_(hs,cr)为1~3℃/W;传热因子j为0.1~0.3。以上数据表明新型鳍状微小射流热沉相对传统鳍片式热沉有明显的散热优势。
【图文】：

6图 1-2 微尺度液态流动散热设计与周围壳体材料之间的热阻达到 0.1℃/W（相当于结壳热阻 的芯片表面，其温度上升至 50℃。美国一家科研机构针对这尺度液态流动散热技术，其整体散热设计思路如图 1-2 所示流入集成微通道内与被冷却表面进行换热，再通过内部微型程。ooligy 日前在国际研讨会（ASymposium On High Performan型处理器的散热问题，并在 Active Micro-Channel Cooling 的演讲，该技术主要是通过在微型处理器的封装容器表面上粘Collector”的材料，并在该材料的背表面设计了无数个突起，ro-Channel”，在 Heat Collector 内部的热量传递到突起末端，围的液体循环流动并进行热量交换，并将部分热量带走散通过在水中添加少量其他物质混杂而制成的，但该突起的材

图 1-3 华为 Mate2 石墨烯+VC 液冷双重散热技术引领着电子产品设计走向高端市场，并且不断优化时对其散热要求提高了，不断驱动散热技术向前发展，质的研发，都有所新突破。如近期华为公司研发出的一0，其结构设计如图 1-3 所示，由图可知，芯片散热装置板（VC）液冷的双重散热方式，从而使整体的散热能力术中，，一般使用水作为热的搬运工；在散热要求较高的却介质与热源表面进行换热，目前在热设计研究领域内热的课题之一，小型化电子产品将迎来快速更新换代的在性能方面更是高胜一筹，但液冷对换热系统装置要求会带来更多经济损失。水冷技术的应用如图 1-4 所示，型水力泵机对冷却介质做功，将冷却介质输送到芯片表回到水力泵进行动量补偿和热量交换的过程。由图 1-4（对被冷却系统进行液体冷却，增大换热媒介的体积流量
【学位授予单位】：景德镇陶瓷大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124;TN405

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本文编号：2635534