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高热流密度微结构散热器换热特性的研究

刘东  
【摘要】:微结构散热器由于结构紧凑、热流密度大、低热阻、薄片型设计、可批生产等优点被认为是解决未来小体积、高集成、大功率、结构复杂的激光器和电子设备高热流密度散热问题的有效途径之一。微结构中由于流动通道尺度小,在获得高热流密度散热同时,往往伴随大压降问题,这对流体驱动泵的选用和微结构散热器的集成封装提出了苛刻的要求。本文针对微结构冷却时压降太大的问题,提出了大高宽比微结构散热器的设计思路。采用水为冷却介质,对不同结构形式的大高宽比散热器内单相流动和换热特性进行实验和理论研究。 本文主要工作包括: (1)微结构散热器流体进、出口位置对槽道内流体分配均匀性及散热器性能的影响。采用数值模拟与实验相结合,研究微结构散热器接口对其内流量分配和换热特性影响,提出采用流量和温度不平均系数指标用于评价进口方式对槽道内流量分配的影响,得出最优进出口布置方式,并指导后续研究中微结构散热器进出口位置的设计。 (2)为克服微槽道流阻较大问题,提出采用大高宽比小槽道构建散热器。设计并加工三种不同尺寸的大高宽比小槽道散热器,实验研究其内单相流动和换热特性。实验结果表明,相同流量时,大高宽比小槽道散热器内的压降小于微槽道。单位长度压降和雷诺数成正比,并与槽道高宽比的0.33次方、槽道水力学直径的三次方成反比。基于大量实验,总结出其散热特性Nu数与槽道高宽比、槽道长径比、Re数和Pr数的经验关系式。 (3)采用扰流法强化大高宽比小槽道散热器的散热性能。本文提出在槽道入口处设置扰流,通过增加入口流体脉动方式来强化小槽道散热,系统研究前置扰流大高宽比小槽道散热器内的流动和换热特性。研究结果表明,扰流使槽道内压降增加5%,但散热能力有10%的提升;扰流使槽道内进口段长度增大;并考虑槽肋比、扰流直径与槽道高度的比值等对换热的影响拟合了有扰流槽道Nu数和无量纲进口加热长度的实验关系式。 (4)针对微小槽道内层流流动特点,为了更进一步强化流体内混合,本文采用针肋代替槽道进行微结构散热器设计,并对其内流动和换热特性进行研究。结果发现,微方肋散热器内流体掺混效果非常好,当Re数在300左右出现转捩现象;在相同流量和表面温度时,大高宽比微方肋散热器的散热效果要优于小槽道散热器,且换热特性与常规针肋和微针肋都不同,最后给出了符合大高宽比微方肋散热器的对流换热关系式。 (5)微细尺度通道内流动,表面粗糙度对流动与换热影响较大。本文建立了基于确定表面粗糙结构形状的PML模型,研究表面粗糙度对三维小槽道内流动和换热特性的影响,数值结果发现,表面粗糙度效应使得槽道内出现流动和换热底层。在该底层内平均速度和温度都呈线性分布;当Re数相同时,单位长度压降和Nu数与相对粗糙度成二次方关系;当粗糙度相同时,槽道内压降和Nu数都与Re成线性关系。 (6)为了改进现有散热器的换热性能,面向热流密度为50-100W/cm2散热需求,设计了多孔泡沫铜填充曲折槽道散热器和插入肋片式槽道散热器,并对这两种结构散热器内的流动和换热特性进行实验研究与理论分析。结果表明,多孔泡沫铜填充的曲折槽道散热器热阻低于微槽道和平板多孔介质散热器,小槽道中插入肋片的方法可以提高小槽道换热能力,流动阻力也较微槽道小很多。


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