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微型平板热管传热与流动特性仿真分析

王一飞  
【摘要】:随着电子行业的不断发展,电子元件和设备的热流密度不断增大。电子器件的散热对电子技术的发展有着至关重要的影响,因此有必要采取高效的散热手段来推进电子行业的发展。平板热管具有对环境的适应性好、传热能力强、均温性好、对热流控制精确、易于芯片等电子器件贴合等优点,被广泛地应用于电子设备的热设计中。但目前对于平板热管内毛细效应做的比较简单,不能通过表面张力驱动吸液芯内的液体流动。对管内气泡形成过程的数值模拟较多,而对热管相变换热过程中蒸发段与冷凝段之间气液两相相对运动的模拟较少。因此,本文对平板热管吸液芯内的传热和流动以及蒸汽腔内的相变换热进行了数值模拟,分析了微槽道和蒸汽腔结构对平板热管传热性能的影响,为未来的实际应用打下基础。具体的研究内容包括:首先,采用数值模拟的方法分析了热管径向导热过程。在径向上构建简化的二维流固耦合的模型,利用有限元分析软件Fluent,仿真得到热管内的温度分布,研究了吸液芯形状、尺寸以及工质材料对热管径向传热能力的影响。结果表明:矩形吸液芯的径向导热能力最强。吸液芯的深度越深,间距越小,热管的径向导热能力越强。在水、乙醇、丙酮这三种工质中,水最有利于热管的径向导热。其次,针对吸液芯内的毛细效应进行了数值仿真,依据毛细效应形成的原理,使用Fluent软件的CSF模型,模拟了吸液芯内的毛细效应,研究了吸液芯形状、尺寸参数以及工质材料对吸液芯内毛细效应的影响。结果表明:矩形吸液芯内毛细效应最显著。吸液芯的深度越深,宽度越宽,毛细效应越显著。在水、乙醇、丙酮这三种工质中,水产生的毛细效应最显著。最后,在热管径向传热过程和毛细效应分析的基础上,构建热管内相变换热模型,建立平板热管轴向的二维简化模型,使用用户自定义UDF(User-Defined Function)方法对蒸汽腔内工质的蒸发冷凝进行了数值仿真,获得微型热管内的温度场,并与纯铝板的传热能力进行对比。之后,进一步研究了热源功率和蒸汽腔高度对热管传热特性的影响。结果表明:热管的传热能力比纯铝板更强。蒸汽腔高度越小,热管传热能力越好。热源功率越高,热管整体温度越高,但热管两端温差基本不变。


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