微流控系统中被动与主动式强化换热模拟研究

发布时间：2020-09-09 14:00

　　随着电子芯片技术的飞速发展,微电子器件的集成度和微型化程度不断提高,整个电子设备的功耗显著上升,散热问题成为限制其发展的瓶颈。传统芯片冷却方法如强制风冷、强制水循环冷却和热电制冷等已无法满足芯片的热管理需求,微通道换热技术能较好解决传统换热装置的散热效率低、耗能高、占空间等系列问题,从而在航空航天、现代医疗、化学生物工程等领域得到了广泛应用。本文基于被动式热边界层中断和主动式气泡扰流的强化换热新思路,设计出系列新颖的微通道换热器来验证换热强化的机理,主要包括沿流程方向周期性合/分微通道和加种子气泡扰动流的正弦波纹微通道,采用数值模拟分析方法系统研究了它们强化换热的物理本质。论文讨论和分析了几何特征和主要物理参数对微通道内流动换热特性的影响规律。具体进展包括以下内容:1.流程方向周期性合/分微通道的数值模拟研究基于热边界层中断思想,在矩形微通道中沿流动方向间隔设置横向隔断,研究了有无横向隔断对微通道流动换热的影响,分析讨论了横向隔断的位置分布对微通道内对流换热的影响规律。(1)在相同水力直径的直管微通道和合/分微通道,分析和比较了两类微通道的压力场、温度场和速度场。发现合/分微通道能显著降低加热面温度和流动阻力,温度场的分布均匀性增强,换热效率为直管微通道的1.3倍。(2)通过对微通道内的热边界层进行分析研究,发现合/分微通道的热边界层较薄,温度梯度较大。热边界层在每个横向隔断区被中断,进入下一段微通道时重新形成和发展,通道内的换热多数处于管道入口段换热模式,热边界层未能发展,这样显著降低了热边界层的热阻,从而达到强化传热的目的。(3)为研究横向隔断位置分布规律对合/分微通道强化传热的影响,设计出三种不同的合/分微通道:均匀合/分微通道、升序合/分微通道、降序合/分微通道。发现,相对于均匀合/分微通道,降序合/分微通道的流动稳定性和换热效率最佳,换热效率为其1.2倍,系统压降降低了9.4%。2.气泡在波动起伏微通道内强化扰流换热的数值模拟研究采用层流对流换热理论模型和正弦波纹微通道几何模型,研究了气泡扰流强化换热机理,分析和讨论了正弦波纹微通道的振幅和波长、气泡的大小和液相流速对微通道强化换热的影响。(1)根据气泡弹跳运动的特征,建立了正弦波纹微通道结构,并以传统直管微通道作为比较对象,发现正弦波纹表面结构对近壁面热边界有中断作用,通过研究不同振幅和波长正弦结构的影响,筛选出换热能力强、压降较小的正弦波纹微通道#1作为最佳气泡弹跳物理模型。(2)对微通道内单个气泡流动传热过程进行研究,发现在一个周期内,气泡经历弹跳和冲撞过程,分别对应弹跳段和冲撞段。在气泡整个运动过程中,一方面通过液相流体的惯性作用将吸收的热量携带到下游区域;另一方面通过对冲撞段近壁面的热边界层进行扰动将高温流体推向下游区域,这是主要的强化换热方式。(3)在筛选出的最佳正弦波纹微通道#1中,研究了气泡大小和液相流速对微通道流动传热的影响,发现,大气泡(100?m)、高流速(0.3m/s)的气泡流能够显著提高微通道换热效率。本文基于热边基层中断和气泡扰流强化换热新思路,设计出一系列的新型微通道换热器,揭示了热边界层中断和气泡扰流强化换热规律,并优化了微通道换热器的结构,对微通道强化传热技术的发展有重要指导意义,具有广泛的工业应用价值。
【学位单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN492
【部分图文】：

热流密度,增长趋势,芯片,失效率

密度越来越大，芯片尺寸的不断减小及功耗的持续增加，问题越来越严峻 1 。20 世纪 90 年代初，电子芯片中的热cm-2量级，当前热流密度的增长趋势仍在继续 2 ，如图密度，如果不能及时地排走，就会导致微电子器件的失效装材料的燃烧，研究表明当电子器件的运行温度达到失效率就增加5% 3 。芯片工作温度与其失效率可采用下1 1expTanTEk T T 量纲失效率；T 为结点绝对温度，K ；T 为参考温度，k为玻尔兹曼常数，8 616 10-5eV/K 。由上式（1 1）可数增长。因此，如何维持电子芯片正常工作的低温环境是

散热系统,芯片

微流控系统中被动与主动式强化换热模拟研究水和结露的可能性。热电制冷（半导体制冷），它是以温差电现象为基础，利用珀尔帖效应原理的制冷方法，即在包含冷热端的回路通电时，依靠半导体载流子的运动，将热量从热端运输到冷端散发到周围环境中去。优点是体积小、节能不需要制冷剂、无机械传动、可通过控制电流随意调节制冷速度和制冷量。缺点是散热效率不高，成本高，制造工艺复杂，且在温度过低时，存在芯片结露而使电路短路的隐患。当前，面对芯片高度集成化和微型化所带来的巨大热量，这些传统的冷却方法已不能满足电子芯片的散热需要，因此迫切需要寻求新型的芯片冷却技术。

微通道,换热器结构

图 1 3 微通道换热器结构的方式主要有单相对流换热和相变沸腾应用已经日趋成熟，但同时广泛的应用因此，面对日益增长的热流密度，必须设计出经济高效的微通道。目前为止，静 6-7 首次提出使用室温液态金属流体却芯片的散热方法，突破了传统流体如。主要优点在于熔点低、导热系数高，驱动。（2）2004 年，徐进良和甘云华等术，向平行微通道中每隔一定距离添加化传热的目的。（3）2017 年，刘国华热技术，在锯齿结构的微通道中，利用输送微气泡，依靠气泡与壁面的碰撞，增

【参考文献】