低温固体界面传热过程计算机仿真研究

【摘要】：在航空航天领域,固体界面热阻是航天器热控技术中普遍存在和必须解决的分析计算与设计制造问题。在超导技术领域,制冷机直接冷却系统在高温超导技术中得到广泛应用,直接冷却技术将已有的液氦与固体冷却的模式,转移到固体(超导器件)和固体(制冷机冷头)之间导热为主的传热模式。由于传热机理的变化,在固体接触导热中,界面热阻及其最佳热耦合机理成为直接冷却的关键技术和科学问题。在电子技术领域,电子产品的热输运问题有芯片内部集成电路与其基片之间的传热问题和芯片外壳的散热设计,其界面传热直接影响芯片性能指标和可靠性。 低温界面热阻从公元1941年著名低温物理学家卡比查 (1978年物理学诺贝尔奖获得者)首次测量了4He II与固体之间的界面热阻(卡比查热阻)开始,已有几十年的研究历史。由于界面传热具有广泛的应用背景和重要的科学意义,已从最初的液体-固体界面传热问题扩展到多种物质界面传热研究,并成为传热科学的研究热点。本文在总结前人研究工作和成果的基础上,运用计算机仿真方法和技术研究低温固体界面传热过程,从低温固体界面传热的数学分析方法与工具、实验研究的参数测量与控制、仿真建模的方法与技术、计算机数字仿真与可视化仿真等几方面进行研究,得到不同层次的研究成果。 首先,论文从分析低温固体界面传热问题入手,提出用逻辑代数理论与方法研究传热过程。将泛布尔代数应用于研究低温固体界面传热问题,建立了热开关理想传热模型,热开关将传统的连续热流通路离散化,提出数字热路新概念和用热流直接驱动(没有热电转换)的热载子(声子或电子)计算机或热载子计算器的基本概念;首次建立了热开关、热源、负载组成的理想热流回路模型,发现这种模型所遵循的热流运动规律与泛布尔代数的基本运算规律完全吻合,在此基础上建立了热开关代数理论,为传热过程的逻辑分析奠定数学分析基础。 实验是计算机仿真研究的必要组成部分,参数的自动测量与控制是低温固体界面传热实验必需解决的基本问题。论文以热偶规管和电离规管作为真空测量传感器,研制了该实验的嵌入式低温真空测控装置硬件和软件,解决了实验的真空自动测量问题。对低温温度的测控问题,论文从温度传感器的选择到传感器的安装、漏热误差、信号放大以及模数转换等都做了较详细的分析;应用热开关代数分析低温温度控制问题,设计了低温温度逻辑控制器,并在G-M制冷机辐射屏温 WP=5 度随动控制和高温超导材料热物性实验温度控制中得到成功应用。 鉴于低温固体界面传热的复杂性和特殊性,传统的机理建模和辨识建模都存在局限性。论文运用逻辑方法和工具分析低温固体界面传热问题,提出基于热开关代数的低温固体界面传热过程逻辑辨识建模原理和方法,将机理建模与辨识建模结合起来,解决低温固体界面传热过程的建模问题。根据高温超导材料(Bi2223)与氮化铝陶瓷(AlN)的低温界面传热实验和数据逻辑分析,基于热开关代数理论,推导出Bi2223与AlN界面热阻逻辑辨识模型。 关于传统仿真建模研究,论文基于AlN和铜(Cu)的低温界面传热实验和实验数据,建立了AlN和Cu的低温界面热阻回归分析仿真模型;运用最小二乘方法分析AlN和Cu的低温界面热阻实验数据,得到AlN和Cu的低温界面热阻参数拟和仿真模型。 关于界面热阻仿真研究,一方面论文应用计算机仿真方法验证了低温固体界面热阻的声失配理论模型(AMM),仿真结果表明AlN与Cu之间的界面热阻在30K以上相差几个数量级,与AMM模型预测的适用范围一致。同时论文应用计算机仿真成功解决了高温超导材料薄膜界面热阻热应力仿真模型的参数优化问题。另一方面,基于Bi2223与AlN界面热阻逻辑辨识模型,仿真研究了Bi2223 与AlN界面传热过程,得到该模型的优化参数,仿真结果与实验结果有较好的一致性。 最后,论文提出低温固体界面传热过程的可视化仿真,应用可视化编程工具VISUAL C++6.0编写了该过程的可视化仿真软件,动画模拟了Bi2223与AlN三维界面层热量传递过程和载热子(声子或电子)微观运动过程。