波壁微通道内脉动流动与传热特性研究

摘要

随着电子科学技术的发展，芯片上电子元器件的集成数量与日俱增，电子芯片的性能越来越好，因而所消耗的功率也越来越大，随之而来就会产生大量的热量，传统的自然对流或者强迫风冷对空间位置要求高、久后噪声大且主要的散热能力已经满足不了某些电子芯片的封装和散热需求，因而大量的电子元件主要是因热失效而影响了其使用性能和寿命，严重阻碍了电子科学技术在日常生活中的应用与发展。
　　微通道液冷技术需要的空间小、结构紧凑、噪声小且散热能力远远高于风冷，同时随着封装工艺技术的进步，液冷系统的安全隐患已经逐渐减小，因而为了满足高热流密度电子芯片的散热需求，微通道内液体流动和传热的研究已经是高热流密度电子芯片均衡散热的一个重要研究方向。
　　为了增强换热，主要的方法是打破流体的边界层，增强流体的相互扰动与渗混，而目前最常用的方法是通过增加流速来实现，但这种方法能耗高且效果不大。鉴于上述原因，本文从微通道的结构及其传热传质热性的角度出发，以波壁微通道和脉动流场作为研究对象，通过数值仿真来研究它们的振幅、波长及脉动频率等相关参数对流动及换热特性的影响，同时对比研究了直壁微通道和定常流场。
　　最后根据仿生学原理，通过研究动植物和大自然的输运系统，设计出一种具有良好质热传递特性和壁面温度均匀性的分形波壁微通道散热器。首先通过数值仿真的方法对定常与脉动流场下，其内流体的流动与换热特性进行研究，并进行结构优化，然后对模型进行加工，搭建可视化实验平台和CPU散热的液冷系统，以实验的方式验证其散热性能，并实验研究不同浓度的三氧化二铝纳米流体在该散热器中的质热传递特性。
　　研究结果表明，周期性变化的流道和周期性变化的流场相结合具有显著强化流体流动的质热传递的能力；分形微通道散热器具有良好的质热传递特性和壁面温度分布的均匀性；三氧化二铝纳米流体相对于纯水介质来说，具有更好的对流换热能力；电脑CPU液冷系统相对于风冷来说，可以使CPU保持在一个良好的工作温度范围，显著提升了其使用性能，同时噪音非常小。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外微通道散热技术的研究进展

1.3 课题来源

1.4 本文的研究内容

第二章 微流体质热传递理论

2.1 微流动理论概述

2.2 微尺度流体流动特性

2.3 微流动传热

2.4 本章小结

第三章 定常流场下波壁微通道内质热传递特性分析

3.1 不同截面微通道结构质热传递特性的对比研究

3.2 矩形截面波壁微通道模型

3.3 矩形截面波壁通道阻力特性的研究

3.4 定常流场下波壁微通道内对流换热的数值仿真

3.5 本章小结

第四章 脉动流场下波壁微通道内质热传递特性分析

4.1 脉动流模型及参数定义

4.2 直壁与波壁微通道中脉动流动质热传递数值仿真

4.3 波壁微通道内脉动流动质热传递特性分析

4.4 本章小结

第五章 分形波壁微通道散热器质热传递特性的数值仿真与实验

5.1 分形波壁微通道模型

5.2 分形波壁微通道散热器内质热传递特性的数值模拟与仿真

5.3 波壁微通道散热器的实验研究

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的成果