气泡周期性弹跳扰动流强化换热物理机制的模拟研究

发布时间：2020-02-21 10:30

【摘要】：随着微电子芯片技术的蓬勃发展,芯片尺寸不断减小,相应热流密度呈指数增长,微通道换热技术的出现弥补了常规散热方式在微型散热方面的缺陷,其中微通道多相流换热技术成为研究热点之一。本文以微通道模型为基础,研究微通道多相流换热强化方式,基本思路是采用气泡流为流动扰动项,使用空气和水分别作为气液相工质,研究气泡流在微通道内的流动及传热强化效果,建立锯齿状表面微通道物理模型,对气泡在该模型中周期性弹跳扰动流过程进行数值模拟。主要研究内容如下:耦合物理模型的建立。根据气泡运动过程的特征,建立了锯齿状微通道结构,并以平表面微通道作为基准进行对比,发现表面结构对近壁面温度边界层有中断作用。此外还深入研究了不同表面倾角锯齿结构的影响,通过对速度场和气泡运动场的分析,筛选出15°倾角的锯齿形表面结构作为数值模拟气泡周期性弹跳运动过程的最终物理模型。单气泡流流动传热分析。对单个气泡的流动传热进行模拟研究,将气泡的单个运动周期分为气泡冲撞段和弹跳段,并分别对应分析了流动与传热过程。气泡的运动过程中,主要是在液相流体的携带运动,同时气泡的传热强化主要体现在冲撞段,该段区域内气泡沿近壁面运动,对近壁面温度边界层流体产生冲击和推动,强化了该段壁面的对流传热。对微通道加热面平均温度和进出口压降进行的时序性分析,验证了气泡的流动及传热特性。气泡流影响因素分析。通过改变液相流体的初始场流速,研究气泡进入该流场后加热面的温度差值曲线分布,发现液相流速越大,加热面的温度下降幅度越大,这验证了气泡在冲撞段强化换热的效果。通过对比不同流速的液相流场中,近壁面温度边界层在气泡碰撞前后的变化,得出一定范围内高液相流速有利于气泡换热强化的结论。同时针对单气泡流温度边界层再发展的情况,提出了多气泡流模型,并分析了近壁面温度边界层在气泡冲击作用下的变化分布。对多气泡流压降和加热面平均温度的时序性分析,结果显示多气泡流在微通道中的周期性扰动有效的冲击了换热工质的热边界层,并且随着气泡频率的增加,强化传热的效果显著。
【图文】：

研究发现，当电子元件运行温度升至 70～8定性下降 5%[2,3]。这些都对芯片级的散热设计提出方式的研究日益火热，微型散热系统技术的开发与进子系统常见的散热方式有：自然对流、强制风冷和在没有外界驱动力，依靠温度场的差异驱动环境空气法简单可靠，无须消耗额外能量，但散热效果不理想散热热流密度极小。强迫风冷散热是通过散热片和风将热量传至周围环境。相对于自然对流，风冷散热依率高，但由于空气本身作为对流介质的物理性质决定有限，并且高速风机带来的噪音与振动，不利于强制由于电子元件上微小的散热面和巨大的热流密度，常经不能满足散热的需要。

图 1.2 微通(VGS为气相速研工作者对微通道内多种流进行了广泛的研究，，大量实沸腾和对流蒸发以及两者共气泡核化、生长和脱离实现热将热量传递给主流体。Ra
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124

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本文编号：2581592