隨著微電子系統(tǒng)快速發(fā)展,電子器件趨向于大功率、高集成化,其在高熱流下的散熱成為一個難題。微通道散熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊及換熱效率高的特點(diǎn),是解決電子器件散熱的可靠技術(shù)。本文基于有限體積法,在恒熱流及液體層流流動下,通過數(shù)值模擬對矩形單微通道底部凹槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)選、正交試驗(yàn)優(yōu)化,并綜合分析了最優(yōu)凹槽矩形微通道換熱器整體的流動與換熱特性。研究過程及結(jié)論如下:（1）在矩形單微通道底部設(shè)置了V形凹槽、V形倒圓凹槽、矩形凹槽及矩形倒圓凹槽等4種不同的凹槽結(jié)構(gòu),通過數(shù)值模擬對其進(jìn)行流動與換熱特性對比分析。研究表明,在水力直徑為0.375mm,雷諾數(shù)為110²30范圍內(nèi):凹槽的設(shè)置降低了微通道的表面最高溫度,可有效的增大換熱面積,增強(qiáng)流體的擾動效果,從而強(qiáng)化微通道局部換熱。在4種凹槽結(jié)構(gòu)中,V形凹槽矩形單微通道的表面最高溫度最低,傳熱因子及強(qiáng)化傳熱因子PEC值最大,綜合性能最優(yōu);與常規(guī)微通道相比,其傳熱因子增大了26.85⁴2.76%,摩擦因子降低12.96²2.45%。（2）以表面最高溫度為試驗(yàn)指標(biāo),設(shè)計(jì)6因素5水平正交試驗(yàn)來優(yōu)化V形凹槽結(jié)... 

【文章來源】：青島科技大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

芯片散熱的原理

青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文5圖1-2Tuckerman和Pease微通道冷卻原理[18]Fig.1-2MicrochannelcoolingprincipleofTuckermanandPease[18]隨后，微通道的研究逐漸變得熱門起來，在1994年，辛明道，師晉生[29]在6種不同結(jié)構(gòu)尺寸的微矩形槽道中進(jìn)行了強(qiáng)制流動阻力和傳熱性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，微槽的結(jié)構(gòu)尺寸對流動和換熱有很大影響，并得到了層流區(qū)域內(nèi)流動阻力與傳熱的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。2006年，蔣潔，施明恒等[30]對矩形微通道中去離子水的流動阻力和傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，微通道的摩擦阻力系數(shù)僅為常規(guī)通道的0.2~0.3倍，且層流向湍流過渡的臨界Re小于常規(guī)通道。隨著工作流體流量的增加，微通道的Nu值比常規(guī)尺寸的通道的Nu值增長更快，顯示出微尺度效應(yīng)。由于微通道的尺寸微小，在實(shí)驗(yàn)方面的展開需要一定的條件，于是數(shù)值模擬分析逐漸占到了主要地位。Li等[31]采用三維共軛傳熱模型對硅基微通道的散熱過程進(jìn)行了模擬和優(yōu)化，散熱能力比Tuckerman的設(shè)計(jì)提高了20%。劉趙淼，逄燕等[32]對具有不同幾何結(jié)構(gòu)的微通道內(nèi)液體的流動和傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明，雷諾數(shù)在20~1800范圍內(nèi)時，努塞爾數(shù)與水力直徑和寬高比成正比，通道長度改變時努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化而變化，通道幾何參數(shù)對努塞爾數(shù)數(shù)和雷諾數(shù)數(shù)有很大影響。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，利用強(qiáng)化傳熱的思想，國內(nèi)外學(xué)者對微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做了很多的研究，其中比較常見的就是在改變通道形狀，或在通道內(nèi)設(shè)置翅片、阻塊以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。一部分的學(xué)者通過變化微通道的形狀進(jìn)行強(qiáng)化傳熱研究，其中比較典型的當(dāng)屬Y形、T形微通道、梯形微通道以及一些常見形狀的微通道，例如徐國強(qiáng)，王夢吳等[33]使用三維數(shù)值模擬研究了Y形微通道與傳統(tǒng)直微通道在層流過程中的流動

V形凹槽矩形微通道流動與換熱特性研究20(c)Rectangulargroovemicrochannel(d)Rectangularinvertedgroovemicrochannel(e)V-groovemicrochannel(f)V-grooveinvertedmicrochannel圖2-1不同凹槽結(jié)構(gòu)微通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2-1Schematicdiagramofmicrochannelstructureofdifferentgroovestructures2.2.2網(wǎng)格劃分采用CFD-ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分及邊界層的初步設(shè)置，基于本研究微通道的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故采用非結(jié)構(gòu)化正四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，流體域與固體域耦合，所研究矩形微通熱沉基本尺寸為：L×W×δ=40mm×1.5mm×1.3mm，底部設(shè)置凹槽18個，形狀分別為矩形凹槽、矩形倒圓凹槽、V形凹槽、V形倒圓凹槽。以V形凹槽結(jié)構(gòu)微通道為例，模型圖如圖2-1所示，槽寬為1.2mm，深為0.2mm，水力直徑為0.375mm，第一個凹槽距離入口為1.62mm，距離出口為0.7mm，凹槽角度為60°，由于流體邊界層的速度梯度和溫度梯度非常大，所以對加熱壁面及流體進(jìn)出口要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，對此流體域進(jìn)行了加密處理，固體域加熱壁面及進(jìn)出口邊界層細(xì)化。網(wǎng)格劃分如圖2-2所示，以“MeshType：Tetra/Mixed”和“MeshMethod：Robust（Octree）”的網(wǎng)格劃分方式劃分體網(wǎng)格，最后得固體區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)為：259796個，流體區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)為：524715個，總網(wǎng)格數(shù)為859641個。圖2-2網(wǎng)格劃分Fig.2-2Griddivision

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：3549515