發(fā)布時(shí)間：2018-08-18 14:48

【摘要】：近十多年以來,微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和納米技術(shù)得到了空前的發(fā)展,人類正從米、厘米的宏觀世界朝著微米、納米的微觀世界的道路上走下去,作為微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)重要分支——微流體技術(shù),在近些年來,也已經(jīng)有了很大的發(fā)展,取得了可觀的進(jìn)步。在新的時(shí)代里,電子元器件微小化是必然趨勢(shì)。這些隨著時(shí)代應(yīng)運(yùn)而生的微型電子元器件改變了人類的生活方式,從此進(jìn)入“微時(shí)代”。隨著現(xiàn)代電子元器件集成程度越來越高的這種趨勢(shì),各種電子元器件的功率越來越高、局部的熱流密度越來越大,而導(dǎo)致這些集成化元器件失效的重要原因是,其工作時(shí)溫度過高,不能準(zhǔn)確有效地運(yùn)行。于是微尺度下的流動(dòng)和傳熱的問題就日益突出,并逐漸成為這些科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域邁向更高臺(tái)階進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。而微尺度加工技術(shù)的迅速發(fā)展的今天,使得電子元器件的體積越來越微小,重量越來越輕,功能越來越強(qiáng)大,集成度越來越高,為解決微尺度換熱問題提供了良好的先決條件,微尺度科學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中逐漸成為研究的前沿。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天,微尺度領(lǐng)域里傳熱、散熱也成了亟待突破的難題。于是,這就給散熱技術(shù)提出了更高的要求,而針對(duì)這種高集成電子元器件,微通道散熱是最理想、最有效的方式,也是在散熱領(lǐng)域里的一個(gè)重要發(fā)展方向。本文開展了對(duì)微通道散熱的理論研究,并建立了帶擾流結(jié)構(gòu)的微通道的模型,以及傳統(tǒng)長(zhǎng)直微通道模型,和相應(yīng)的研究方法。通過研究傳統(tǒng)長(zhǎng)直微通道在均勻熱載荷下的溫度分布以及換熱效率,分析其結(jié)果并對(duì)傳統(tǒng)長(zhǎng)直微通道方案的基礎(chǔ)行加以改進(jìn),其具體的實(shí)施方案是在傳統(tǒng)長(zhǎng)直微通道的基礎(chǔ)上,增添了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的障礙物即擾流結(jié)構(gòu),這種帶擾流結(jié)構(gòu)的微通道的強(qiáng)化傳熱的機(jī)理是利用障礙物使流體產(chǎn)生徑向流動(dòng),從而加強(qiáng)微通道內(nèi)流體的混合,并使流體在通道內(nèi)流動(dòng)的時(shí)候形成擾流漩渦,從而破壞流體流動(dòng)的邊界層,同時(shí)擾動(dòng)的流體可以獲得較高的對(duì)流傳熱系數(shù),增強(qiáng)流體與微通道壁面之間的換熱效率。接著研究了擾流肋片的疏密程度對(duì)換熱的影響,分別對(duì)相同長(zhǎng)度段的微通道設(shè)置了4肋片跟6肋片兩種不同情況,計(jì)算得到其溫度分布云圖,分析對(duì)比得到結(jié)論。然后研究了入口速度對(duì)微通道換熱的影響,分別設(shè)置了5個(gè)不同的入口速度,計(jì)算其速度場(chǎng),溫度場(chǎng),壓力場(chǎng),最終分析得出結(jié)論。本文的研究方法是應(yīng)用ANYSY CFD ICEM軟件建立帶擾流結(jié)構(gòu)的微通道以及傳統(tǒng)長(zhǎng)直微通道的二維模型,然后將模型分別導(dǎo)入FLUENT軟件中進(jìn)行定義固體材料以及流體屬性的前處理,然后并選擇SIMPLE算法計(jì)算在均勻熱流量載荷的條件下,分別模擬計(jì)算傳統(tǒng)長(zhǎng)直微通道與帶擾流結(jié)構(gòu)的微通道流體流動(dòng)情況,研究了不同疏密程度的擾流肋片進(jìn)行計(jì)算分析對(duì)比。然后設(shè)置不同的入口速度進(jìn)行計(jì)算,將得到的溫度分布云圖、壓力場(chǎng)、速度矢量圖、熱源處溫度分布圖以及流固交界面溫度分布圖進(jìn)行對(duì)比,最終分析得出的結(jié)論是:(1)隨著入口速度增大,雷諾數(shù)增大,壓降也隨之增大,即所須提供微通道流體流動(dòng)的輸送動(dòng)力增加。(2)對(duì)于已經(jīng)確定以水為工質(zhì)的微通道內(nèi),微通道的換熱能力隨著流體流速的增大而增強(qiáng),當(dāng)入口流體流速增大到一定程度是,換熱能力維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。所以在一定的范圍內(nèi),可以通過增大流體速度,已達(dá)到增強(qiáng)換熱效果的目的。(3)當(dāng)給定微通道的尺寸,微通道的換熱量隨著雷諾數(shù)的增大而增大;當(dāng)增到的一定程度時(shí),微通道的換熱量也逐漸趨于平穩(wěn),即換熱效果維持不變。
[Abstract]:In the past ten years, micro-electro-mechanical system technology and nano-technology have made unprecedented development. Human beings are moving from the macro-world of meter and centimeter to the micro-world of micron and nano. As an important branch of micro-electro-mechanical system technology, micro-fluid technology has also made great progress in recent years and has made great progress. Considerable progress has been made. In the new era, the miniaturization of electronic components is an inevitable trend. These micro-electronic components have changed the way of life of human beings and entered the "micro-era". The local heat flux density is getting higher and higher, and the main reason for the failure of these integrated components is that the working temperature is too high to operate accurately and effectively. With the rapid development of processing technology, electronic components are becoming smaller and smaller in size, lighter and lighter in weight, more powerful in function and higher in integration, which provides a good prerequisite for solving the problem of micro-scale heat transfer. Micro-scale science has gradually become the forefront of research in modern science and technology. Nowadays, heat transfer and heat dissipation in the field of micro-scale have become a problem to be solved urgently. Therefore, higher requirements have been put forward for heat dissipation technology. For this kind of high-integrated electronic components, micro-channel heat dissipation is the most ideal and effective way, and it is also an important development direction in the field of heat dissipation. The theoretical study of heat dissipation is carried out, and the model of microchannel with turbulent structure, the traditional long straight microchannel model and the corresponding research methods are established. Based on the traditional long straight microchannel, a simple obstruction is added, i.e. a turbulent structure. The mechanism of enhanced heat transfer in this microchannel with turbulent structure is to use the obstruction to make the fluid flow radially, thereby enhancing the mixing of the fluid in the microchannel and causing the fluid to become disturbed when flowing in the microchannel. The turbulent fluid can obtain higher convective heat transfer coefficient and enhance the heat transfer efficiency between the fluid and the microchannel wall. Then the influence of fin density on the heat transfer is studied. Four fins and six fins are set in the same length microchannel respectively. Then the influence of inlet velocity on heat transfer in microchannels is studied. Five different inlet velocities are set up to calculate the velocity field, temperature field and pressure field. Finally, the conclusion is drawn. The research method of this paper is to use ANYSY CFD ICEM software to establish the structure with turbulence. The two-dimensional models of microchannel and traditional long straight microchannel are imported into FLUENT software to pre-process the definitions of solid materials and fluid properties, and then SIMPLE algorithm is selected to calculate the fluid flow in microchannel under uniform heat flux load. Then, different inlet velocities are set to calculate and compare the temperature distribution nephogram, pressure field, velocity vector diagram, temperature distribution diagram at the heat source and temperature distribution diagram at the fluid-solid interface. When the velocity increases, the Reynolds number increases, and the pressure drop increases, that is, the conveying power of the fluid flow in the microchannel is increased. In a certain range, the effect of heat transfer can be enhanced by increasing the fluid velocity. (3) When the size of the microchannel is given, the heat transfer of the microchannel increases with the increase of Reynolds number; when the increase is to a certain extent, the heat transfer of the microchannel becomes stable gradually, that is, the effect of heat transfer remains unchanged.
【學(xué)位授予單位】：武漢工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK124

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本文編號(hào)：2189807