粗糙表面射流冲击冷却的流场结构和传热特性数值研究

摘要

随着高功率芯片等电子器件趋向于高性能、集成化和微型化，其在单位面积上的发热功率也日益提高。在有限的空间内为电子器件提供高效可靠的散热，已经成为其能正常工作的必要保障。射流冲击传热是目前非常有效的一种强化传热方式，为了使芯片整体温度分布更加均匀、进一步提高冷却效率，采用粗糙表面和射流冷却相结合的强化传热方法引起了人们越来越多的重视。本文采用RNGκ-e湍流模型对粗糙表面的射流冲击冷却进行了数值研究，主要对二维横流通道内存在矩形肋条射流冷却、三维阵列射流冲击粗糙表面结构的流动和传热特性进行了数值模拟，得到的主要结论如下：
　　 1、通过对二维横流通道内存在粗糙结构（矩形肋条）射流冷却的流动和换热特性的模拟和分析，在本文所研究的几何模型和流动参数下，结果表明：
　　 (1)存在射流时的冷却效率比无射流情况下高。在射流总流量不变的前提下，含横流的光滑通道内无射流、单射流、双射流、三射流不同流动条件下，单射流情况下冷却效果最佳。射流间距设置较近情况下，热壁面的换热强度较高。
　　 (2)射流使其下游相邻的肋条背流面产生的涡旋影响范围增大，使热壁面的换热强度增强。无论存在射流与否，在双肋条情形下，第二个肋条与再附点之间比两肋条之间的热壁面换热强度高。
　　 (3)考虑肋条高度对热壁面换热强度的影响，模拟得到肋条较高时通道内流体的扰动较大，综合换热强度也更高。
　　 2、通过对平滑表面、凹坑以及凸起粗糙表面等不同表面结构情形下的三维阵列射流冲击冷却的数值模拟，结果表明：
　　 (1)三种粗糙表面结构对通道内冲击区和壁面射流相互作用区的换热强度Nu有不同程度的影响：在本文模拟的几何模型参数范围内，在冲击区，阵列射流冲击在凸起表面上比平滑表面的换热趋于增强，而在凹坑表面上则比平滑表面的换热趋于减弱。但在壁面射流的相互作用区，Nu分布显示出与冲击区不同的分布趋势，即平滑表面情况下的换热强度最高，其次是凹坑表面，凸起表面换热强度最低。
　　 (2)粗糙表面改变了通道内流体的流动和相关的涡结构，对通道内流体的流动具有不同的扰动效果：在射流冲击区，凸起表面情形射流出口到冲击驻点之间的距离最短，冲击速度更高，导致驻点处的边界层更薄，达到最高的换热强度。而在射流相互作用区，平滑表面情形射流冲击底面后流体相互作用形成的涡旋距离底面较近，导致换热强度最高。凸起表面情形下，流体剧烈的与边壁和相邻流体作用，使得流体速度快速降低，在射流作用区形成较微弱的涡旋，而凹坑表面形成较大尺度的展向涡，因此凹坑表面结构的换热强度略高于凸起表面。
　　 (3)雷诺数Re对不同粗糙表面下底面的换热强度Nu分布趋势没有明显改变，但是对其数值大小影响明显。在冲击驻点区和壁面射流相互作用区，换热效果均随射流雷诺数的增加而增强。并拟合了不同表面结构下冲击驻点处的Nu与Re之间的关联式。
　　 本文研究对于提高电子芯片射流冷却效率以及优化设计高效射流冷却系统有较高的指导意义。通过设置流道内部结构（如加肋条）以及流道内表面的粗糙结构来实现流动结构的改变，进而改善流道内的换热特性，达到对高功率芯片的局部强化冷却，同时又使器件整体温度较为均匀，使其工作温度保持在允许范围内，处于热应力较低的良好工作状态，以确保系统的正常稳定工作。