矩形截面微通道热沉散热性能研究

摘要

近年来，电子元器件及设备已经渗透到高科技和现代生活的各个领域，其大功率、高集成度、高热流密度的发展趋势，使得微机电系统的散热冷却技术面临严峻的挑战。而矩形截面微通道热沉作为一种高效的散热手段，具有结构简单、紧凑、制造加工较易等优点而受到研究人员的广泛关注。论文从影响热沉散热性能的因素考虑，研究了矩形截面微通道热沉的散热性能。
　　首先，针对矩形通道内流体单相稳态层流流动与换热问题，理论推导了均匀热流密度边界条件下，矩形通道内充分发展层流流动的速度分布以及对流换热努赛尔数Nu的解析表达式。指出，通道内垂直于通道高度方向的任意截面，速度分布均呈抛物线状，且截面最大速度是截面平均速度的1.5倍;努赛尔数Nu是一常数，大小与通道高宽比α有关，当通道高宽比趋于无穷大时，Nu趋近于固定值8.23，这与相关实验研究的结论吻合良好。
　　其次，通过数值模拟的方法建立了铜基矩形截面微通道热沉的三维共轭传热模型，研究了以纯水为冷却介质，系统泵功和热沉基本尺寸不变的条件下，热沉总热阻随通道高宽比α、通道孔隙率β以及通道数N的变化规律;并在此基础上，研究了热沉的最佳通道结构参数配置以及以最佳通道结构为例，探讨泵功对热沉性能的影响。指出，通道高宽比α、通道孔隙率β以及通道数N对热沉散热性能的影响主要体现在这三个参数所耦合影响着的热沉总热阻的三个组成部分（固体导热热阻Rcond、流体对流换热热阻Rconv、流体热量热阻Rheat）的热阻值是增大抑或是减小。热沉总热阻的变化趋势取决于三者变化量之间的平衡关系。研究还发现，泵功是影响热沉热阻的重要参数;当热沉结构固定时，在一定范围内增大系统泵功，能够显著增强热沉散热性能。
　　最后，从冷却介质的角度考虑，研究了新一代冷却介质——纳米流体应用于微通道热沉，其基液性质、纳米颗粒体积分数、颗粒种类及尺寸等参数对热沉散热性能的影响;并探讨了纳米流体在微通道中的流动压降特性。发现，纳米流体基液的性质及颗粒体积分数对热沉散热性能有着重要的影响;相反，颗粒种类及尺寸的变化对热沉散热性能影响不大;低体积分数的纳米流体流动压降较纯水而言，只有轻微增大。实际应用中，推荐采用基液黏度小，颗粒体积分数较小，颗粒物性参数ρCp较大且颗粒尺寸较小的纳米流体。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 微通道热沉的简介

1．3 微通道热沉的研究现状

1．3．1 微通道流动与传热的研究现状

1．3．2 微通道热沉结构研究现状

1．3．3 纳米流体应用于微通道热沉研究现状

1．3．4 微通道热沉研究中存在的问题

1．4 本文研究方法及内容

1．4．1 研究方法

1．4．2 研究内容

第二章 微通道流动与换热分析

2．1 理论假设

2．1．1 连续介质假设

2．1．2 滑移边界条件

2．2 基本控制方程

2．3 矩形微通道层流流动与换热分析

2．3．1 热沉几何模型

2．3．2 水力入口段长度和充分发展段流动

2．3．3 内部流动的对流换热

2．3．4 速度分布

2．3．5 对流换热关联式

2．4 本章小结

第三章 热沉通道结构参数研究

3．1 数值求解及设置

3．1．1 COMSOL Multiphysics简介

3．1．2 模型控制方程

3．1．3 边界条件

3．1．4 求解设置

3．2 热沉散热性能评估及研究方法

3．2．1 热沉散热性能评估

3．2．2 研究方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 模型验证

3．3．2 结构参数对热沉热阻影响

3．3．3 热沉热阻分析

3．3．4 热沉结构参数分析

3．3．5 最佳通道结构分析

3．4 泵功对热沉热阻影响分析

3．5 本章小结

第四章 纳米流体冷却的热沉散热性能研究

4．1 纳米流体物性参数模型

4．1．1 纳米流体密度

4．1．2 纳米流体比热

4．1．3 纳米流体动力黏度

4．1．4 纳米流体热导率

4．2 纳米流体对热沉散热性能影响因素分析

4．2．1 基液性质的影响

4．2．2 纳米颗粒体积分数及种类的影响

4．2．3 纳米颗粒尺寸的影响

4．3 纳米流体冷却的热沉热阻分析

4．4 纳米流体冷却的热沉压降特性研究

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 本文主要研究结论

5．2 研究展望

参考文献

致谢

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