微通道热沉内流体流动与传热的数值模拟

发布时间：2017-05-20 17:11

  本文关键词：微通道热沉内流体流动与传热的数值模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：当前,各种电子产品均朝着体积小、重量轻方向发展,电子产品的性能受温度和温度分布的影响很大,传统冷却器的设计极限与制作技术已无法合乎要求。在目前高热通量电子产品冷却器中,微通道热沉已经被证实是传热性能最佳且最具应用潜力的冷却方式之一,它的卓越表现在于其传热面积大、热扩散距离短的特点。 本文根据流体力学和传热学的知识,结合微尺度传热理论,分析了Navier-Stokes 方程和导热方程对微通道热沉内流体流动与传热描述的有效性,说明了RNG k-ε湍流模型可用于微通道热沉内流体湍流流动与传热的数值模拟。 本文采用水、甲醇、乙醇、R113 四种冷却介质,模拟了不同结构尺寸的微通道内的流场和温度场,分析了流体在微通道各部分的压力损失、微通道内表面各部分对对流传热的贡献。针对大功率半导体激光器用热沉,在控制Re=2500、表面温升27℃、泵功3.6W 三种工况下,对微通道热沉的不同进出口宽度、微通道宽度和深度、翅片厚度、底板厚度进行了大量的模拟计算,分析了这些因素对热沉性能的影响程度,探讨了进行优化设计应重点考虑的因素,以及改进热沉性能的有效途径。 对于不同应用的微通道热沉,有不同的空间尺寸和热负荷要求,本文针对微通道热沉内流体流动与传热的特点设计了优化算法,编制了优化设计软件。该软件在给定泵功或给定表面温升时,以最大表面温差为约束条件,计算出最优结构尺寸和操作参数。该软件采用复形调优算法,通过图形用户界面设置物性数据、边界条件、网格划分方法、流场和温度场解算方法,允许对任意U 型通道、矩形截面的热沉进行优化设计,并用3D 图形绘制热沉表面的温度分布。 另外,本文还模拟计算了传统型微通道热沉和性能优越的微射流阵列热沉。通过对受边界影响强烈的单列和二列微射流阵列热沉内流体流线的分析,发现了其独特的流动与传热特点。最后根据模拟计算结果,分析比较了传统型微通道热沉、歧管型微通道热沉、微射流阵列热沉的性能。
【关键词】：数值模拟 RNG k-ε湍流模型 复形调优法 微通道热沉
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-9
• 主要符号表9-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 选题的背景和意义10-11
• 1.1.1 在电子设备上的应用10
• 1.1.2 在大功率半导体激光器上的应用10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 微通道热沉的发展简史12
• 1.2.2 传统型微通道热沉(TMC)模型12-13
• 1.2.3 岐管微通道(MMC)模型13
• 1.2.4 微射流阵列冷却热沉13-14
• 1.2.5 微通道热沉的相变换热14
• 1.2.6 国内研究动态14-15
• 1.2.7 微通道热沉的制作15
• 1.3 研究方法15
• 1.4 研究内容15-17
• 第2章 理论模型与计算方法17-29
• 2.1 微尺度传热理论17-18
• 2.2 理论计算模型18-21
• 2.2.1 流动与传热的控制方程18
• 2.2.2 湍流模型18-21
• 2.3 求解方法21-26
• 2.3.1 壁面处理21-23
• 2.3.2 边界条件23-24
• 2.3.3 网格划分24-26
• 2.3.4 数值算法26
• 2.3.5 收敛判据26
• 2.4 物理模型和计算模型26-27
• 2.5 本章小结27-29
• 第3章 流动与传热分析29-44
• 3.1 微通道内流体流动分析30-33
• 3.2 微通道内传热分析33-36
• 3.3 结构尺寸对微通道内流体流动与传热的影响36-43
• 3.3.1 进出口宽度对热沉性能的影响36-41
• 3.3.2 翅片厚度和通道深度对热沉性能的影响41
• 3.3.3 微通道宽度和长度对热沉性能的影响41-42
• 3.3.4 微通道底板厚度对热沉性能的影响42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第4章 优化设计44-54
• 4.1 优化算法45-46
• 4.2 惩罚函数46-48
• 4.3 优化程序设计48-53
• 4.3.1 面向对象程序设计48
• 4.3.2 多线程48-49
• 4.3.3 流程图49-50
• 4.3.4 图形界面50-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第5章 微通道(TMC、MMC)与微射流阵列冷却热沉54-64
• 5.1 传统型微通道热沉(TMC)54-55
• 5.2 微射流阵列冷却热沉55-62
• 5.2.1 微射流阵列冷却热沉模型56
• 5.2.2 微射流阵列冷却热沉的压降计算56-57
• 5.2.3 计算结果及分析57-62
• 5.3 微通道(TMC、MMC)与微射流阵列冷却热沉的综合性能62
• 5.4 计算结果与实验数据的比较62
• 5.5 本章小结62-64
• 结论64-65
• 参考文献65-68
• 攻读学位期间发表的论文68-69
• 致谢69

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