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(gè)電子設(shè)備的功耗顯著上升,散熱問(wèn)題成為限制其發(fā)展的瓶頸。傳統(tǒng)芯片冷卻方法如強(qiáng)制風(fēng)冷、強(qiáng)制水循環(huán)冷卻和熱電制冷等已無(wú)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(wèn)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(dòng)式熱邊界層中斷和主動(dòng)式氣泡擾流的強(qiáng)化換熱新思路,設(shè)計(jì)出系列新穎的微通道換熱器來(lái)驗(yàn)證換熱強(qiáng)化的機(jī)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(dòng)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(qiáng)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(duì)微通道內(nèi)流動(dòng)換熱特性的影響規(guī)律。具體進(jìn)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(dòng)方向間隔設(shè)置橫向隔斷,研究了有無(wú)橫向隔斷對(duì)微通道流動(dòng)換熱的影響,分析討論了橫向隔斷的位置分布對(duì)微通道內(nèi)對(duì)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(chǎng)、溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。發(fā)現(xiàn)合/分微通道能顯著降低加熱面溫度和流動(dòng)阻力,溫度場(chǎng)的分布均勻性增強(qiáng),換熱效率為直管微通道的1.3倍。(2)通過(guò)對(duì)微通道內(nèi)的熱邊界層進(jìn)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(gè)橫向隔斷區(qū)被中斷,進(jìn)入下一段微通道時(shí)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(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。(3)為研究橫向隔斷位置分布規(guī)律對(duì)合/分微通道強(qiáng)化傳熱的影響,設(shè)計(jì)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(duì)于均勻合/分微通道,降序合/分微通道的流動(dòng)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(dòng)起伏微通道內(nèi)強(qiáng)化擾流換熱的數(shù)值模擬研究采用層流對(duì)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(qiáng)化換熱機(jī)理,分析和討論了正弦波紋微通道的振幅和波長(zhǎng)、氣泡的大小和液相流速對(duì)微通道強(qiáng)化換熱的影響。(1)根據(jù)氣泡彈跳運(yùn)動(dòng)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(duì)象,發(fā)現(xiàn)正弦波紋表面結(jié)構(gòu)對(duì)近壁面熱邊界有中斷作用,通過(guò)研究不同振幅和波長(zhǎng)正弦結(jié)構(gòu)的影響,篩選出換熱能力強(qiáng)、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(duì)微通道內(nèi)單個(gè)氣泡流動(dòng)傳熱過(guò)程進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在一個(gè)周期內(nèi),氣泡經(jīng)歷彈跳和沖撞過(guò)程,分別對(duì)應(yīng)彈跳段和沖撞段。在氣泡整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,一方面通過(guò)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(guò)對(duì)沖撞段近壁面的熱邊界層進(jìn)行擾動(dòng)將高溫流體推向下游區(qū)域,這是主要的強(qiáng)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(duì)微通道流動(dòng)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(qiáng)化換熱新思路,設(shè)計(jì)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(qiáng)化換熱規(guī)律,并優(yōu)化了微通道換熱器的結(jié)構(gòu),對(duì)微通道強(qiáng)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(jià)值。
【學(xué)位單位】：安徽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN492
【部分圖文】：

密度越來(lái)越大，芯片尺寸的不斷減小及功耗的持續(xù)增加，問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻 1 。20 世紀(jì) 90 年代初，電子芯片中的熱cm-2量級(jí)，當(dāng)前熱流密度的增長(zhǎng)趨勢(shì)仍在繼續(xù) 2 ，如圖密度，如果不能及時(shí)地排走，就會(huì)導(dǎo)致微電子器件的失效裝材料的燃燒，研究表明 當(dāng)電子器件的運(yùn)行溫度達(dá)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(diǎn)絕對(duì)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(zhǎng)。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(dòng)與主動(dòng)式強(qiáng)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?duì)柼?yīng)原理的制冷方法，即在包含冷熱端的回路通電時(shí)，依靠半導(dǎo)體載流子的運(yùn)動(dòng)，將熱量從熱端運(yùn)輸?shù)嚼涠松l(fā)到周圍環(huán)境中去。優(yōu)點(diǎn)是體積小、節(jié)能不需要制冷劑、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)、可通過(guò)控制電流隨意調(diào)節(jié)制冷速度和制冷量。缺點(diǎn)是散熱效率不高，成本高，制造工藝復(fù)雜，且在溫度過(guò)低時(shí)，存在芯片結(jié)露而使電路短路的隱患。當(dāng)前，面對(duì)芯片高度集成化和微型化所帶來(lái)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(duì)流換熱和相變沸騰應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，但同時(shí)廣泛的應(yīng)用因此，面對(duì)日益增長(zhǎng)的熱流密度，必須設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)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(diǎn)在于熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱系數(shù)高，驅(qū)動(dòng)。（2）2004 年，徐進(jìn)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(guó)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(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 徐立;李玉秀;徐進(jìn)良;劉國(guó)華;;微通道中納米流體流動(dòng)沸騰換熱性能研究[J];高校化學(xué)工程學(xué)報(bào);2011年04期

2 劉國(guó)華;徐進(jìn)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(bào);2010年06期

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

本文編號(hào)：2815063