基于LB方法的微通道热沉传热机理数值模拟研究

发布时间：2020-06-03 21:04

【摘要】：随着电子器件性能的快速提升,冷却系统热负荷的大幅增加,同时换热空间趋于微型化,传统的风冷及液冷技术难以满足高性能电子器件的热管理需求。微通道热沉具有结构紧凑、单位体积散热量高等突出优势,目前已经成为大规模集成电路及微电子器件冷却的重要手段。现阶段关于微通道热沉的研究以实验研究为主,实验研究只能捕捉到微通道热沉整体性能的变化,难以揭示其内部流动和传热的微观机理。而已有的模拟研究往往忽略了固液间热物性参数对耦合传热的影响,且较少考虑多个微尺度效应对微通道热沉的综合影响,且很少将机理研究延展至三维微通道热沉。这些研究上的不足限制了人们对微通道热沉传热机理的认识,也成为优化微通道热沉换热性能的瓶颈。本文首先通过理论分析揭示了耦合传热问题的本质,并借助LB方法易于处理复杂边界、编程简单等优势,充分考虑了固液间的耦合传热,建立了描述微通道热沉内部流动和能量传递的LB模型;在此模型的基础上对不同结构化表面、壁面厚度、固液的热物性参数以及雷诺数对微通道热沉内部工质的流动和传热的影响进行数值研究,结果表明,通道的结构对流体的流动和传热影响显著,增大Re数和固液热导率比以及减小固液热容比能优化微通道热沉的换热性能;此外,我们将黏性热耗散效应、入口效应与幂率流体综合分析,研究结果证明增大Br数和幂率指数会导致微通道热沉的换热性能恶化;最后,本文将微通道热沉的研究延展三维,对侧壁面的尺寸优化和固液热导率比的影响进行了分析,结果显示增加侧壁面厚度能提高侧壁面的局部Nu数,但也会导致整个换热系统的温度提高,而在一定范围内,增大固液的热导率比可以降低微通道热沉的壁面温度。本文的研究明晰了微通道热沉在不同结构参数和热物性参数下其换热性能的变化规律,揭示了黏性热耗散效应和幂率指数影响下微通道热沉内部的传热机理,研究结果可对微通道热沉换热性能的强化提供理论指导和数据支持。
【图文】：

热沉,微通道,电子器件

像识别等功能，其芯片的运算速度需要达到每秒千亿次，这需要片更换为人工智能与信息处理的 AI 芯片[1]。虽然 AI 芯片的计算倍，，但其产热量也大幅提升。已有研究表明，电子器件工作的极限温内，每超过极限温度 1℃，电子器件的可靠性就降低 5%，而且其少，因此，温度是电子器件的需要控制的重要指标，如果不能及时去，将会对电子器件的可靠性和寿命产生威胁。现阶段，电子器件换热空间不断缩减，如何采用更高效的冷却方式在极其有限的空为微电子产品热管理技术亟待解决的问题[2]。道热沉（如图 1.1 所示）作为一种主动式微型集成液冷技术开始思想是在集成电路的硅衬底背面添加若干微小尺度的通道，冷却强制对流的方式将微电子器件产生的热量带走，从而降低电子器通道热沉具有结构紧凑、单位体积散热量高等突出优势，目前已路及微电子器件冷却的重要手段[4]。

模型图,模型,流体速度,速度分布

u 为流体速度。为了恢复eqii∑ f =ρeqi ii∑ c f =ρu eqi i i i j iji∑ c c= f ρu u +pδju 分别是水平和竖直方向的速度分9 模型，D2Q9模型的离散速度分布如, 1) 2], sin[( 1) 2]) , ( 5) 2 4], sin[( 5) 2] 4) i c i i π ππ π π π + +
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN405;TK124

【参考文献】