V形凹槽矩形微通道流动与换热特性研究
发布时间：2021-12-24 00:55
随着微电子系统快速发展,电子器件趋向于大功率、高集成化,其在高热流下的散热成为一个难题。微通道散热器具有结构紧凑及换热效率高的特点,是解决电子器件散热的可靠技术。本文基于有限体积法,在恒热流及液体层流流动下,通过数值模拟对矩形单微通道底部凹槽进行结构优选、正交试验优化,并综合分析了最优凹槽矩形微通道换热器整体的流动与换热特性。研究过程及结论如下:（1）在矩形单微通道底部设置了V形凹槽、V形倒圆凹槽、矩形凹槽及矩形倒圆凹槽等4种不同的凹槽结构,通过数值模拟对其进行流动与换热特性对比分析。研究表明,在水力直径为0.375mm,雷诺数为110230范围内:凹槽的设置降低了微通道的表面最高温度,可有效的增大换热面积,增强流体的扰动效果,从而强化微通道局部换热。在4种凹槽结构中,V形凹槽矩形单微通道的表面最高温度最低,传热因子及强化传热因子PEC值最大,综合性能最优;与常规微通道相比,其传热因子增大了26.8542.76%,摩擦因子降低12.9622.45%。（2）以表面最高温度为试验指标,设计6因素5水平正交试验来优化V形凹槽结...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
芯片散热的原理
青岛科技大学研究生学位论文5图1-2Tuckerman和Pease微通道冷却原理[18]Fig.1-2MicrochannelcoolingprincipleofTuckermanandPease[18]随后，微通道的研究逐渐变得热门起来，在1994年，辛明道，师晋生[29]在6种不同结构尺寸的微矩形槽道中进行了强制流动阻力和传热性能实验，结果表明，微槽的结构尺寸对流动和换热有很大影响，并得到了层流区域内流动阻力与传热的经验关系。2006年，蒋洁，施明恒等[30]对矩形微通道中去离子水的流动阻力和传热特性进行了实验研究。结果显示，微通道的摩擦阻力系数仅为常规通道的0.2~0.3倍，且层流向湍流过渡的临界Re小于常规通道。随着工作流体流量的增加，微通道的Nu值比常规尺寸的通道的Nu值增长更快，显示出微尺度效应。由于微通道的尺寸微小，在实验方面的展开需要一定的条件，于是数值模拟分析逐渐占到了主要地位。Li等[31]采用三维共轭传热模型对硅基微通道的散热过程进行了模拟和优化，散热能力比Tuckerman的设计提高了20%。刘赵淼，逄燕等[32]对具有不同几何结构的微通道内液体的流动和传热特性进行了数值研究。结果表明，雷诺数在20~1800范围内时，努塞尔数与水力直径和宽高比成正比，通道长度改变时努塞尔数随雷诺数的变化而变化，通道几何参数对努塞尔数数和雷诺数数有很大影响。在数值模拟的基础上，利用强化传热的思想，国内外学者对微通道结构设计方面做了很多的研究，其中比较常见的就是在改变通道形状，或在通道内设置翅片、阻块以达到强化传热的效果。一部分的学者通过变化微通道的形状进行强化传热研究，其中比较典型的当属Y形、T形微通道、梯形微通道以及一些常见形状的微通道，例如徐国强，王梦吴等[33]使用三维数值模拟研究了Y形微通道与传统直微通道在层流过程中的流动
V形凹槽矩形微通道流动与换热特性研究20(c)Rectangulargroovemicrochannel(d)Rectangularinvertedgroovemicrochannel(e)V-groovemicrochannel(f)V-grooveinvertedmicrochannel图2-1不同凹槽结构微通道结构示意图Fig.2-1Schematicdiagramofmicrochannelstructureofdifferentgroovestructures2.2.2网格划分采用CFD-ICEM进行网格划分及边界层的初步设置，基于本研究微通道的结构比较复杂，故采用非结构化正四面体网格进行划分，流体域与固体域耦合，所研究矩形微通热沉基本尺寸为：L×W×δ=40mm×1.5mm×1.3mm，底部设置凹槽18个，形状分别为矩形凹槽、矩形倒圆凹槽、V形凹槽、V形倒圆凹槽。以V形凹槽结构微通道为例，模型图如图2-1所示，槽宽为1.2mm，深为0.2mm，水力直径为0.375mm，第一个凹槽距离入口为1.62mm，距离出口为0.7mm，凹槽角度为60°，由于流体边界层的速度梯度和温度梯度非常大，所以对加热壁面及流体进出口要进行网格细化，对此流体域进行了加密处理，固体域加热壁面及进出口边界层细化。网格划分如图2-2所示，以“MeshType：Tetra/Mixed”和“MeshMethod：Robust（Octree）”的网格划分方式划分体网格，最后得固体区域的网格数为：259796个，流体区域的网格数为：524715个，总网格数为859641个。图2-2网格划分Fig.2-2Griddivision
【参考文献】：
期刊论文
[1]248nm准分子激光辅助微铣削加工有机玻璃表面微通道实验研究[J]. 何凤玺,陈涛. 电加工与模具. 2018(02)
[2]带等腰三角形槽微通道的数值分析[J]. 曾素均,邵宝东,王丽凤,杨洋. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2017(12)
[3]航空航天冷却微通道制造技术及应用[J]. 邓大祥,陈小龙,谢炎林,黄青松. 航空制造技术. 2017(Z2)
[4]电子器件冷却用散热器的结构形式与研究进展[J]. 翁建华,石梦琦,崔晓钰. 新技术新工艺. 2017(11)
[5]内部形状对微通道内流体流动及换热特性的影响研究[J]. 王小飞,郑伟. 科技创新与应用. 2017(03)
[6]电动汽车热泵空调微通道换热器温度分布特性[J]. 巫江虹,薛志强,金鹏,李会喜. 浙江大学学报(工学版). 2016(08)
[7]微通道换热器的研究及应用现状[J]. 葛洋,姜未汀. 化工进展. 2016(S1)
[8]微通道换热器在客车空调器上的应用[J]. 刘运科. 制冷与空调. 2016(02)
[9]微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟[J]. 潘娜娜,潘艳秋,俞路,贾春燕,徐志,刘万发,桑凤亭. 强激光与粒子束. 2016(02)
[10]A Review of Heat Transfer Enhancement through Flow Disruption in a Microchannel[J]. Anupam Dewan,Pankaj Srivastava. Journal of Thermal Science. 2015(03)
博士论文
[1]塑料微通道结构制品的成型技术与应用研究[D]. 徐浙云.浙江大学 2017
[2]微通道内气体流动换热的理论与实验研究[D]. 张田田.北京交通大学 2011
[3]微通道中液氮流动和换热特性研究[D]. 齐守良.上海交通大学 2007
[4]微通道反应器的传递和反应特性[D]. 曹彬.中国科学院研究生院（大连化学物理研究所） 2005
硕士论文
[1]用于芯片级散热系统的微流道散热器的研究与制备[D]. 李秋燕.电子科技大学 2019
[2]电子器件冷却用微通道热性能研究[D]. 郭宏举.湘潭大学 2018
[3]微通道内强化传热凹陷的结构优化研究[D]. 陈秀平.华中科技大学 2018
[4]矩形微通道内的流动与压降特性研究[D]. 梁朋.北京交通大学 2017
[5]微通道换热器的数值模拟[D]. 刘英楠.大连理工大学 2016
[6]底面具有波纹结构的微通道设计与强化传热性能研究[D]. 梁德杰.华南理工大学 2016
[7]小尺度矩形通道内碳氢燃料流动及强化传热研究[D]. 谢凯利.哈尔滨工业大学 2015
[8]基于不同入口角度下矩形微通道热沉流动和换热特性研究[D]. 袁嘉隆.集美大学 2015
[9]微通道散热器流道优化与传热性能研究[D]. 蔡奇彧.电子科技大学 2015
[10]微通道冷却器内流固耦合传热过程的数值模拟[D]. 卢鹏.大连理工大学 2014
本文编号：3549515
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
芯片散热的原理
青岛科技大学研究生学位论文5图1-2Tuckerman和Pease微通道冷却原理[18]Fig.1-2MicrochannelcoolingprincipleofTuckermanandPease[18]随后，微通道的研究逐渐变得热门起来，在1994年，辛明道，师晋生[29]在6种不同结构尺寸的微矩形槽道中进行了强制流动阻力和传热性能实验，结果表明，微槽的结构尺寸对流动和换热有很大影响，并得到了层流区域内流动阻力与传热的经验关系。2006年，蒋洁，施明恒等[30]对矩形微通道中去离子水的流动阻力和传热特性进行了实验研究。结果显示，微通道的摩擦阻力系数仅为常规通道的0.2~0.3倍，且层流向湍流过渡的临界Re小于常规通道。随着工作流体流量的增加，微通道的Nu值比常规尺寸的通道的Nu值增长更快，显示出微尺度效应。由于微通道的尺寸微小，在实验方面的展开需要一定的条件，于是数值模拟分析逐渐占到了主要地位。Li等[31]采用三维共轭传热模型对硅基微通道的散热过程进行了模拟和优化，散热能力比Tuckerman的设计提高了20%。刘赵淼，逄燕等[32]对具有不同几何结构的微通道内液体的流动和传热特性进行了数值研究。结果表明，雷诺数在20~1800范围内时，努塞尔数与水力直径和宽高比成正比，通道长度改变时努塞尔数随雷诺数的变化而变化，通道几何参数对努塞尔数数和雷诺数数有很大影响。在数值模拟的基础上，利用强化传热的思想，国内外学者对微通道结构设计方面做了很多的研究，其中比较常见的就是在改变通道形状，或在通道内设置翅片、阻块以达到强化传热的效果。一部分的学者通过变化微通道的形状进行强化传热研究，其中比较典型的当属Y形、T形微通道、梯形微通道以及一些常见形状的微通道，例如徐国强，王梦吴等[33]使用三维数值模拟研究了Y形微通道与传统直微通道在层流过程中的流动
V形凹槽矩形微通道流动与换热特性研究20(c)Rectangulargroovemicrochannel(d)Rectangularinvertedgroovemicrochannel(e)V-groovemicrochannel(f)V-grooveinvertedmicrochannel图2-1不同凹槽结构微通道结构示意图Fig.2-1Schematicdiagramofmicrochannelstructureofdifferentgroovestructures2.2.2网格划分采用CFD-ICEM进行网格划分及边界层的初步设置，基于本研究微通道的结构比较复杂，故采用非结构化正四面体网格进行划分，流体域与固体域耦合，所研究矩形微通热沉基本尺寸为：L×W×δ=40mm×1.5mm×1.3mm，底部设置凹槽18个，形状分别为矩形凹槽、矩形倒圆凹槽、V形凹槽、V形倒圆凹槽。以V形凹槽结构微通道为例，模型图如图2-1所示，槽宽为1.2mm，深为0.2mm，水力直径为0.375mm，第一个凹槽距离入口为1.62mm，距离出口为0.7mm，凹槽角度为60°，由于流体边界层的速度梯度和温度梯度非常大，所以对加热壁面及流体进出口要进行网格细化，对此流体域进行了加密处理，固体域加热壁面及进出口边界层细化。网格划分如图2-2所示，以“MeshType：Tetra/Mixed”和“MeshMethod：Robust（Octree）”的网格划分方式划分体网格，最后得固体区域的网格数为：259796个，流体区域的网格数为：524715个，总网格数为859641个。图2-2网格划分Fig.2-2Griddivision
【参考文献】：
期刊论文
[1]248nm准分子激光辅助微铣削加工有机玻璃表面微通道实验研究[J]. 何凤玺,陈涛. 电加工与模具. 2018(02)
[2]带等腰三角形槽微通道的数值分析[J]. 曾素均,邵宝东,王丽凤,杨洋. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2017(12)
[3]航空航天冷却微通道制造技术及应用[J]. 邓大祥,陈小龙,谢炎林,黄青松. 航空制造技术. 2017(Z2)
[4]电子器件冷却用散热器的结构形式与研究进展[J]. 翁建华,石梦琦,崔晓钰. 新技术新工艺. 2017(11)
[5]内部形状对微通道内流体流动及换热特性的影响研究[J]. 王小飞,郑伟. 科技创新与应用. 2017(03)
[6]电动汽车热泵空调微通道换热器温度分布特性[J]. 巫江虹,薛志强,金鹏,李会喜. 浙江大学学报(工学版). 2016(08)
[7]微通道换热器的研究及应用现状[J]. 葛洋,姜未汀. 化工进展. 2016(S1)
[8]微通道换热器在客车空调器上的应用[J]. 刘运科. 制冷与空调. 2016(02)
[9]微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟[J]. 潘娜娜,潘艳秋,俞路,贾春燕,徐志,刘万发,桑凤亭. 强激光与粒子束. 2016(02)
[10]A Review of Heat Transfer Enhancement through Flow Disruption in a Microchannel[J]. Anupam Dewan,Pankaj Srivastava. Journal of Thermal Science. 2015(03)
博士论文
[1]塑料微通道结构制品的成型技术与应用研究[D]. 徐浙云.浙江大学 2017
[2]微通道内气体流动换热的理论与实验研究[D]. 张田田.北京交通大学 2011
[3]微通道中液氮流动和换热特性研究[D]. 齐守良.上海交通大学 2007
[4]微通道反应器的传递和反应特性[D]. 曹彬.中国科学院研究生院（大连化学物理研究所） 2005
硕士论文
[1]用于芯片级散热系统的微流道散热器的研究与制备[D]. 李秋燕.电子科技大学 2019
[2]电子器件冷却用微通道热性能研究[D]. 郭宏举.湘潭大学 2018
[3]微通道内强化传热凹陷的结构优化研究[D]. 陈秀平.华中科技大学 2018
[4]矩形微通道内的流动与压降特性研究[D]. 梁朋.北京交通大学 2017
[5]微通道换热器的数值模拟[D]. 刘英楠.大连理工大学 2016
[6]底面具有波纹结构的微通道设计与强化传热性能研究[D]. 梁德杰.华南理工大学 2016
[7]小尺度矩形通道内碳氢燃料流动及强化传热研究[D]. 谢凯利.哈尔滨工业大学 2015
[8]基于不同入口角度下矩形微通道热沉流动和换热特性研究[D]. 袁嘉隆.集美大学 2015
[9]微通道散热器流道优化与传热性能研究[D]. 蔡奇彧.电子科技大学 2015
[10]微通道冷却器内流固耦合传热过程的数值模拟[D]. 卢鹏.大连理工大学 2014
本文编号：3549515
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