波纹微通道强化传热性能实验研究

摘要

现在机车上的电子组件越来越多，并且集中化程度越来越高，电子组件的散热问题越来越突出。IGBT是机车上牵引变流器中的重要组件，在工作过程中，IGBT会高频率的通断电流，因而会产生大量的热量。有关研究表明，如果IGBT模块产生的热量不能够及时的散发出去，会影响IGBT的使用寿命，严重时会引起事故。为了使IBGT能够在安全的温度范围内正常稳定地工作，解决IGBT的散热问题成为了重中之重。为了能够将电子组件IGBT产生的热量及时有效的散失出去，需要一种具有较强换热能力的冷却系统。结合相关研究，设计出了波纹微通道冷却系统。该冷却系统由冷却基板和冷却芯板组成。冷却基板表面带有波纹状的三角形齿，三角形齿的齿高分别为0.5 mm、1.0mm、1.5 mm，齿顶角分别为60°、80°、100°，冷却基板和冷却芯板组合在一起后，两者之间形成冷却通道，冷却通道的高度分别为1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm。不同的冷却基板和冷却芯板组合会得到不同的结构参数。IGBT模块紧紧地和冷却基板贴在一起，冷却介质从冷却通道中流过，将IGBT产生的热量吸收带走，最后散失在外界环境中。本文的目的是通过实验数据对比分析，找出换热能力最强的冷却系统的结构参数。研究方法是数值模拟和实验相结合的方法。数值模拟采用SIMPLE算法，并且详细的介绍了边界条件的选取，网格的划分，控制方程的离散等过程。论文详细的介绍了实验器材，实验的准备工作，实验步骤等。得到实验数据后，通过将不同结构参数的实验结果和数值模拟结果进行对比，揭示强化传热机理。
　　研究结果表明，冷却介质在掠过三角形齿的时候，会在相邻三角形齿之间形成横向涡，该涡影响冷却结构的传热性能。当三角齿的齿高和齿顶角度数不变时，增加冷却通道的通道高度，能够提高波纹微通道冷却系统的换热能力。当三角齿的齿高和通道高度不变，齿顶角度数为100°时，波纹微通道冷却系统的换热能力要低于角度为60°和80°时的换热能力。当冷却通道的通道高度和三角齿的齿顶角不变时，三角形齿的齿高越小，波纹微通道冷却系统的换热效果越好，阻力系数也越小。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 背景

1．2 国内外研究现状

1．3 论文工作

2 电子元件的冷却

2．1 绝缘栅双极晶体管

2．2 IGBT在机车上的应用举例

2．3 电器元件散热方式简介

2．3．1 空气冷却

2．3．2 相变冷却

2．3．3 液体冷却

3 波纹微通道冷却基板结构及参数

3．1 波纹微通道冷却结构

3．2 波纹微通道冷却结构参数

3．3 试件几何结构

4 数值模拟方法

4．1 计算区域

4．2 控制方程和边界条件

4．2．1 控制方程

4．2．2 边界条件

4．2．3 换热系数和努塞尔数计算公式

4．3 区域离散

4．3．1 坐标变换

4．3．2 生成网格

4．4 控制方程的离散

4．5 定解条件的离散

4．6 SIMPLE算法求解方程

4．6．1 求解速度修正值的代数方程

4．6．2 求解压力修正值的代数方程

4．6．3 SIMPLE算法的实施步骤

4．7 网格独立性考核

5 传热实验方法

5．1 实验系统

5．1．1 水浴系统

5．1．2 冷却系统

5．1．3 测温和数据采集系统

5．2 实验方法和步骤

5．2．1 实验方法

5．2．2 实验步骤

5．3 实验数据处理

6 实验结果及分析

6．1 通道高度的影响

6．2 三角形齿高的影响

6．3 三角形齿顶角的影响

6．4 与平表面通道对比

7 数值结果及分析

7．1 三角形齿参数变化对换热效果的影响

7．2 不同参数下数值模拟结果

7．2．1 通道高度的影响

7．2．2 三角形齿高的影响

7．2．3 三角形齿顶角的影响

7．3 实验结果和数值结果对比

结论

致谢

参考文献

附录