隨著電子芯片技術(shù)的飛速發(fā)展,微電子器件的集成度和微型化程度不斷提高,整個電子設(shè)備的功耗顯著上升,散熱問題成為限制其發(fā)展的瓶頸。傳統(tǒng)芯片冷卻方法如強制風冷、強制水循環(huán)冷卻和熱電制冷等已無法滿足芯片的熱管理需求,微通道換熱技術(shù)能較好解決傳統(tǒng)換熱裝置的散熱效率低、耗能高、占空間等系列問題,從而在航空航天、現(xiàn)代醫(yī)療、化學(xué)生物工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文基于被動式熱邊界層中斷和主動式氣泡擾流的強化換熱新思路,設(shè)計出系列新穎的微通道換熱器來驗證換熱強化的機理,主要包括沿流程方向周期性合/分微通道和加種子氣泡擾動流的正弦波紋微通道,采用數(shù)值模擬分析方法系統(tǒng)研究了它們強化換熱的物理本質(zhì)。論文討論和分析了幾何特征和主要物理參數(shù)對微通道內(nèi)流動換熱特性的影響規(guī)律。具體進展包括以下內(nèi)容:1.流程方向周期性合/分微通道的數(shù)值模擬研究基于熱邊界層中斷思想,在矩形微通道中沿流動方向間隔設(shè)置橫向隔斷,研究了有無橫向隔斷對微通道流動換熱的影響,分析討論了橫向隔斷的位置分布對微通道內(nèi)對流換熱的影響規(guī)律。(1)在相同水力直徑的直管微通道和合/分微通道,分析和比較了兩類微通道的壓力場、溫度場和速度場。發(fā)現(xiàn)合/分微通道能顯著降低加熱面溫度和流動阻力,溫度場的分布均勻性增強,換熱效率為直管微通道的1.3倍。(2)通過對微通道內(nèi)的熱邊界層進行分析研究,發(fā)現(xiàn)合/分微通道的熱邊界層較薄,溫度梯度較大。熱邊界層在每個橫向隔斷區(qū)被中斷,進入下一段微通道時重新形成和發(fā)展,通道內(nèi)的換熱多數(shù)處于管道入口段換熱模式,熱邊界層未能發(fā)展,這樣顯著降低了熱邊界層的熱阻,從而達到強化傳熱的目的。(3)為研究橫向隔斷位置分布規(guī)律對合/分微通道強化傳熱的影響,設(shè)計出三種不同的合/分微通道:均勻合/分微通道、升序合/分微通道、降序合/分微通道。發(fā)現(xiàn),相對于均勻合/分微通道,降序合/分微通道的流動穩(wěn)定性和換熱效率最佳,換熱效率為其1.2倍,系統(tǒng)壓降降低了9.4%。2.氣泡在波動起伏微通道內(nèi)強化擾流換熱的數(shù)值模擬研究采用層流對流換熱理論模型和正弦波紋微通道幾何模型,研究了氣泡擾流強化換熱機理,分析和討論了正弦波紋微通道的振幅和波長、氣泡的大小和液相流速對微通道強化換熱的影響。(1)根據(jù)氣泡彈跳運動的特征,建立了正弦波紋微通道結(jié)構(gòu),并以傳統(tǒng)直管微通道作為比較對象,發(fā)現(xiàn)正弦波紋表面結(jié)構(gòu)對近壁面熱邊界有中斷作用,通過研究不同振幅和波長正弦結(jié)構(gòu)的影響,篩選出換熱能力強、壓降較小的正弦波紋微通道#1作為最佳氣泡彈跳物理模型。(2)對微通道內(nèi)單個氣泡流動傳熱過程進行研究,發(fā)現(xiàn)在一個周期內(nèi),氣泡經(jīng)歷彈跳和沖撞過程,分別對應(yīng)彈跳段和沖撞段。在氣泡整個運動過程中,一方面通過液相流體的慣性作用將吸收的熱量攜帶到下游區(qū)域;另一方面通過對沖撞段近壁面的熱邊界層進行擾動將高溫流體推向下游區(qū)域,這是主要的強化換熱方式。(3)在篩選出的最佳正弦波紋微通道#1中,研究了氣泡大小和液相流速對微通道流動傳熱的影響,發(fā)現(xiàn),大氣泡(100?m)、高流速(0.3m/s)的氣泡流能夠顯著提高微通道換熱效率。本文基于熱邊基層中斷和氣泡擾流強化換熱新思路,設(shè)計出一系列的新型微通道換熱器,揭示了熱邊界層中斷和氣泡擾流強化換熱規(guī)律,并優(yōu)化了微通道換熱器的結(jié)構(gòu),對微通道強化傳熱技術(shù)的發(fā)展有重要指導(dǎo)意義,具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用價值。
【學(xué)位單位】：安徽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN492
【部分圖文】：

密度越來越大，芯片尺寸的不斷減小及功耗的持續(xù)增加，問題越來越嚴峻 1 。20 世紀 90 年代初，電子芯片中的熱cm-2量級，當前熱流密度的增長趨勢仍在繼續(xù) 2 ，如圖密度，如果不能及時地排走，就會導(dǎo)致微電子器件的失效裝材料的燃燒，研究表明 當電子器件的運行溫度達到 失效率就增加5% 3 。芯片工作溫度與其失效率可采用下1 1expTanTEk T T 量綱失效率；T 為結(jié)點絕對溫度，K ；T 為參考溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)，8 616 10-5eV/K 。由上式（1 1）可數(shù)增長。因此，如何維持電子芯片正常工作的低溫環(huán)境是

微流控系統(tǒng)中被動與主動式強化換熱模擬研究水和結(jié)露的可能性。熱電制冷（半導(dǎo)體制冷），它是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)，利用珀爾帖效應(yīng)原理的制冷方法，即在包含冷熱端的回路通電時，依靠半導(dǎo)體載流子的運動，將熱量從熱端運輸?shù)嚼涠松l(fā)到周圍環(huán)境中去。優(yōu)點是體積小、節(jié)能不需要制冷劑、無機械傳動、可通過控制電流隨意調(diào)節(jié)制冷速度和制冷量。缺點是散熱效率不高，成本高，制造工藝復(fù)雜，且在溫度過低時，存在芯片結(jié)露而使電路短路的隱患。當前，面對芯片高度集成化和微型化所帶來的巨大熱量，這些傳統(tǒng)的冷卻方法已不能滿足電子芯片的散熱需要，因此迫切需要尋求新型的芯片冷卻技術(shù)。

圖 1 3 微通道換熱器結(jié)構(gòu)的方式主要有單相對流換熱和相變沸騰應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，但同時廣泛的應(yīng)用因此，面對日益增長的熱流密度，必須設(shè)計出經(jīng)濟高效的微通道。目前為止，靜 6-7 首次提出使用室溫液態(tài)金屬流體卻芯片的散熱方法，突破了傳統(tǒng)流體如。主要優(yōu)點在于熔點低、導(dǎo)熱系數(shù)高，驅(qū)動。（2）2004 年，徐進良和甘云華等術(shù)，向平行微通道中每隔一定距離添加化傳熱的目的。（3）2017 年，劉國華熱技術(shù)，在鋸齒結(jié)構(gòu)的微通道中，利用輸送微氣泡，依靠氣泡與壁面的碰撞，增

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 徐立;李玉秀;徐進良;劉國華;;微通道中納米流體流動沸騰換熱性能研究[J];高�；瘜W(xué)工程學(xué)報;2011年04期

2 劉國華;徐進良;李倩;王斌;;微通道內(nèi)種子汽泡抑制沸騰不穩(wěn)定性研究[J];工程熱物理學(xué)報;2010年06期

3 夏國棟;徐志波;齊景智;;周期性變截面微通道熱沉內(nèi)流體流動與傳熱特性[J];航空動力學(xué)報;2010年01期

本文編號：2815063