基于植物叶片结构的仿生均热板研究

发布时间：2017-09-20 15:19

  本文关键词：基于植物叶片结构的仿生均热板研究

  更多相关文章： 毛细压力 渗透率 叶脉分形网络 均热板 吸液芯 传热性能

【摘要】：作为微电子、光电领域的两大基本元件,CPU和LED的发展和进步受到目前散热效率的严重制约。由于热量的大量聚集,会导致电子器件和设备的性能下降,甚至有可能造成破坏。均热板作为一种有效的传热元件,将热管的一维轴向导热转变为二维面传热,实现了更高的传热性能。自然界中的植物,尤其是干旱环境中的植物,经常会遭受热的灼烧作用,同样面临散热问题。植物的双向运输与相变散热与均热板的工作原理极为相似。而植物叶脉系统结构经过亿万年的自然进化,已经形成了一种优化的传热传质结构。因此寻求通过对叶脉传输系统的研究,改进现有的均热板吸液芯结构具有重要意义。本文以植物叶脉系统为研究对象,对植物叶脉系统的流动与传热性能、基于植物叶脉分形网络的吸液芯以及均热板进行了系统的研究,主要研究工作如下:(1)植物叶脉的流动与传热去除细脉的情况下,分析主脉与侧脉之间的分形角度对叶脉对称与非对称流动与传热的影响;考虑植物细脉时,通过Voronoi图来随机生成多边形网络,以模拟植物叶脉的多边形回路。摘取新鲜的桂花树叶,通过电子扫描获取叶脉的特征分布,用CAD软件获得相应的矢量模型。建立真实植物叶脉与模拟叶脉的数值模型,通过对比揭示植物叶脉多边形回路的分布规律,通过实验验证数值计算的准确性。(2)叶脉分形网络在吸液芯中的应用通过分形原理,基于植物叶脉分布结构,提出叶脉分形网络模型。建立叶脉分形网络在长度和高度方向上的毛细压力模型;通过电路原理建立长度比l=1和长度比0l1两种情况下,叶脉分形网络的流阻模型。与平行通道的毛细压力和流阻进行对比,获得与叶脉分形网络在占有相同面积上,提供与叶脉分形网络相同的毛细驱动力时所需要的平行微通道数量和实际能够加工的微通道数量。建立叶脉分形网络的渗透率模型,揭示叶脉分形网络在提高渗透率方面的作用。通过分析叶脉分形网络与平行结构在自吸力以及多边形回路在流动中的作用,揭示叶脉分形网络能够提高自吸力,防止通道局部堵塞中的作用。(3)基于植物叶脉的概念结构根据植物叶片的运输原理,提出基于植物叶脉运输系统的概念结构,该概念结构由叶脉分形渗透网络和多孔组织构成。用叶脉分形渗透网络来模拟真实叶脉,多孔结构(包括微柱子和微通道)模拟叶片叶肉组织。建立基于渗透壁的微通道流动模型,获得概念吸液芯的有效渗透率。用多孔结构渗透率对概念结构渗透率进行无量纲化,获得与概念结构相关的尺寸参数。建立概念结构与传统分形结构的数值模型,获得概念结构的速度场和温度场,揭示概念结构在流动与传热中的优点。(4)概念结构吸液芯采用化学腐蚀的方法对概念结构吸液芯进行加工,获得微通道截面为T形的吸液芯结构,并建立微通道截面的毛细压力模型。搭建实验平台,获取均热板冷凝端上表面各点的温度以及蒸发端下表面中心温度,计算均热板热阻。测量均热板在不同输入功率、充液率、工质、风速条件下的传热热阻。搭建实验平台,测量吸液芯在不同流量下的压力降,通过线性拟合,获得吸液芯渗透率。(5)仿生均热板加工分形角度分别为30°、40°、50°、60°、70°六种形式的冷凝端吸液芯,蒸发端通过烧结树枝状紫铜粉形成吸液芯结构,烧结粉末粒径为48μm。为了能进行多次测量和拆装方便,将均热板用螺栓进行封装。测量均热板在不同分形角度、充液量、输入功率和热流密度下的传热性能。通过化学腐蚀和机械雕刻加工呈矩形形状的冷凝端吸液芯结构;蒸发端为烧结球形粉末,烧结粒径为96~270μm,将蒸发端与冷凝端进行扩散焊接封装,测试均热板的均温性能和传热性能。
【关键词】：毛细压力 渗透率 叶脉分形网络 均热板 吸液芯 传热性能
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 主要符号表18-25
• 第一章 绪论25-42
• 1.1 课题研究的背景及意义25
• 1.2 均热板在电子领域的应用25-26
• 1.3 均热板简介26-29
• 1.3.1 均热板历史26-27
• 1.3.2 均热板工作原理27-28
• 1.3.3 传热特点28-29
• 1.4 均热板的吸液芯结构29-33
• 1.4.1 烧结粉末型吸液芯29-30
• 1.4.2 沟槽型吸液芯30-31
• 1.4.3 烧结丝型网型吸液芯31-32
• 1.4.4 复合型吸液芯32-33
• 1.4.5 仿生吸液芯33
• 1.5 植物传输与散热33-38
• 1.5.1 植物运输原理33-37
• 1.5.2 植物散热原理37-38
• 1.6 研究目标和研究内容38-40
• 1.6.1 课题来源38-39
• 1.6.2 研究目标39
• 1.6.3 研究内容39-40
• 1.7 本章小结40-42
• 第二章 植物叶脉的分布对流动与传热性能的影响42-61
• 2.1 引言42-43
• 2.2 基于植物叶脉的计算模型43-48
• 2.2.1 基于植物叶脉的几何模型43-44
• 2.2.2 基于植物叶脉的数值模型44-48
• 2.3 无细脉时植物叶脉的流动与传热性能48-50
• 2.3.1 无细脉时植物叶脉的压降48-49
• 2.3.2 无细脉时植物叶脉的散热49-50
• 2.4 细脉对植物叶脉流动与传热性能的影响50-56
• 2.4.1 细脉对压力性能的影响50-51
• 2.4.2 细脉对散热的影响51-53
• 2.4.3 多边形结构的影响53-56
• 2.5 数值模拟结果的实验验证56-59
• 2.6 叶脉分形网络对吸液芯设计的启示59
• 2.7 本章总结59-61
• 第三章 叶脉结构在吸液芯中的应用61-88
• 3.1 前言61-63
• 3.2 微通道毛细压力模型63-66
• 3.2.1 微通道在高度方向上的向毛细压力63-64
• 3.2.2 微通道自吸力评价64-66
• 3.3 吸液芯流阻模型66-76
• 3.3.1 吸液芯在长度方向上的流阻66-71
• 3.3.2 流阻的影响因素71-76
• 3.4 叶脉分形网络的渗透率模型76-84
• 3.4.1 叶脉分形网络在高度方向上的渗透率76-78
• 3.4.2 叶脉分形网络在长度方向上的渗透率78-82
• 3.4.3 渗透率的影响因素82-84
• 3.5 叶脉分形网络的特点84-87
• 3.5.1 提高自吸力84
• 3.5.2 提高渗透率84-85
• 3.5.3 防止局部堵塞85-87
• 3.6 本章小结87-88
• 第四章 基于植物叶片的概念结构及其性能88-109
• 4.1 前言88-89
• 4.2 概念结构的渗透模型89-98
• 4.2.1 带渗透壁微通道运输模型89-94
• 4.2.2 概念结构有效渗透率94-98
• 4.3 带渗透壁微通道流量模型98-101
• 4.4 概念结构的渗透性能101-103
• 4.4.1 有效渗透率的影响参数101-102
• 4.4.2 与传统结构的对比与讨论102-103
• 4.5 概念结构的流动与传热103-107
• 4.5.1 概念结构的流动模型103-105
• 4.5.2 概念结构温度与压力降105-107
• 4.6 本章小结107-109
• 第五章 概念结构在吸液芯中的应用109-134
• 5.1 引言109-110
• 5.2 概念吸液芯的制造110-119
• 5.2.1 激光刻蚀110-114
• 5.2.2 化学腐蚀114-115
• 5.2.3 微通道毛细压力模型115-117
• 5.2.4 吸液芯参数及微通道表面质量117-119
• 5.3 实验平台的搭建119-121
• 5.4 概念吸液芯性能121-130
• 5.4.1 均温性能122-124
• 5.4.2 均热板热阻124-129
• 5.4.3 吸液芯的渗透性能129-130
• 5.5 均热板蒸发端与冷凝端中心点的温度130-131
• 5.6 实验误差及不确定性分析131-132
• 5.7 本章小结132-134
• 第六章 仿生均热板性能134-150
• 6.1 引言134-135
• 6.2 均热板制造135-136
• 6.3 均热板热阻的影响因素136-143
• 6.3.1 工质136-138
• 6.3.2 充液量138-139
• 6.3.3 分形角度139-141
• 6.3.4 热流密度141-142
• 6.3.5 均热板形状142-143
• 6.4 矩形均热板性能143-148
• 6.4.1 均热板结构形式143-145
• 6.4.2 矩形均热板传热性能145-147
• 6.4.3 矩形均热板温度均匀性147-148
• 6.5 本章小结148-150
• 结论与展望150-154
• 参考文献154-166
• 攻读博士学位期间取得的研究成果166-168
• 致谢168-170
• 附件170

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：888817