基于多入口多出口效应的L型换热器的冷却力研究

发布时间：2020-05-30 10:30

【摘要】：由于信息技术的飞速发展,近年来现代电子设备的发展趋势逐渐朝着智能化、集成化和小型化的方向发展,导致了电子芯片较大的能量消耗和热流密度。因此,在各种应用中的散热,如电子芯片等,已经越来越激发了人们对电子热管理的兴趣。其中,保证电子芯片的温度均匀性是确保其高效正常工作的重中之重,也是散热设计的关键。目前,多冷却通道可以有效地降低电子设备的温度,且温度均匀性得到了改善,但传统的结构设计已不再能满足芯片的高热流要求。在此基础上,本文结合热设计基础理论进行了结构的创新优化设计,提出了一种基于多入口多出口效应的L型换热器,并从稳态和瞬态两个层面对其进行了相关的流体流动与传热特性的研究分析,同时还进行了实验的分析验证。具体工作成果如下:首先,通过ANSYS Fluent 15.0仿真软件对在层流状态(Re=200~1600)下的L型换热器进行了不同进出口情况时的流动换热特性的数值研究,分别从速度、平均努塞尔数、压降、均温性以及总热阻等方面进行了具体的分析。结果表明,类型1(长入短出),类型2(短入长出)和类型3(长短出入)从短轴流道开始到长轴流道结束,其中心线上的速度总体而言均呈现先减小后上升的趋势。高温热点均分布于换热器的四个角位置处,但底面的温度梯度相对较小,其中类型3(长短出入)的底面温度均匀性最好。类型2(短入长出)的平均努塞尔数最大,换热效果最好,而压降受不同进出口变化的影响不明显。类型1和类型2的总热阻没有明显差别,而类型3的总热阻比上述两种类型较高。其次,对本文提出的L型换热器搭建了实验平台,并对其进行了实验数据记录以及分析,并与仿真结果进行对比验证。结果显示努塞尔数最大误差为4.34%,压降最大误差为5.66%,表明实验与仿真数据的吻合性很好。其中,经不确定性分析可知,实验中Re的最大不确定性为3.01%,Nu的最大不确定性为4.37%。最后,通过数值模拟的方法进一步对L型散热器进行脉动流作用下强化传热的研究与分析,主要从不同脉动频率f、振幅A_u和雷诺数Re三个影响参数对换热器通道内流体流动与换热进行研讨。结果表明:当Re=800,振幅A_u=0.5时,存在一个脉动临界频率(0.01Hz),当f0.01Hz时,相对于稳态,脉动流弱化了换热效果,当f0.01Hz时,换热增强;当雷诺数Re=800,频率f=0.02Hz时,相比稳态,振幅A_u等于0.25时的强化换热效果最佳;当频率f=0.02Hz,振幅A_u=0.25时,雷诺数Re越大,努塞尔数Nu也相应增大,换热效果不断增强;最后又通过速度与温度梯度以及压力梯度三场之间的协同原理分析了不同频率、振幅与场协同角之间的关系和影响,进一步阐述了强化换热的机理。
【图文】：

多孔通道,散热器,结构示意图

15HZ, 20HZ 时，在 5HZ 和 25HZ 脉动流作用下的多孔通道散热器具有较高的热耗散率。多孔型换热器结构如图 1.1 所示。图1.1 多孔通道散热器结构示意图1.2.2 国内研究现状近年来，国内高校与科研机构在电子芯片设备散热理论与技术研究方面取得了突破性进展。殷际英[27]采用热管理技术对一种热管式芯片散热器进行了传热机理与传热热阻的定性定量分析，通过计算实例进一步说明了管式散热器可以在较小流量下对大功率 CPU 芯片进行强化对流传热。杨冬梅和徐德好[28]采用实验的方法对比研究了常规蛇形散热冷板和微通道冷板的流动换热性能，结果显示流体速度对常规冷板的换热影响不明显，而通过结构变化的微通道冷板的换热性能却明显优于传统冷板。李悦[29]基于多芯片组件的散热提出了多种多热源凹凸微流道的散热通道结构，，通过微流道内部各部分热阻求出换热器总体热阻，并逆推出等效换热系数，用 Icepack 分析验证热阻算法的误差性，得出该算法在功率较低时误差不超过 5%

基于多入口多出口效应的L型换热器的冷却力研究

求解设置
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN403

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