横掠微针肋热沉内流体流动与传热特性的实验和理论研究

摘要

当前，许多尖端科技的突破性发展越来越依赖于高效冷却技术，它们要求冷却技术能有效驱散小面积区域产生的大量热量。具有内部强化传热结构的单相流体微型冷却热沉已经被用来解决面临的冷却难题。近来，微加工技术的进步使得在高热导率固体基体上加工出更多复杂的微几何结构成为可能。本文设计了一种在微通道内敷设针肋阵列的强化传热结构。目前关于微针肋阵列冷却热沉的实验和理论研究比较少。本文以揭示横掠微针肋阵列热沉内流体流动和传热机理为目的，对横掠微针肋阵列热沉内部单相流体的流动与传热特性进行了实验研究及理论分析。 本文首先研究了水横掠微针肋热沉的流动特性，研究表明：针肋的布置方式和针肋的形状对阻力特性的影响很大，在小流量下其影响较小，随着流量的增加影响越显著；相同针肋形状、布置方式下，孔隙率变小，随着流量增大，压降将迅速变大；高径比影响摩擦阻力系数，小的高径比产生较大的阻力损失。在雷诺数处于80～100范围时，叉排实验件的摩擦阻力系数随雷诺数的变化关系出现转变，顺排却没有出现类似的变化。 其次，研究了微针肋热沉的传热特性，研究表明：菱形实验件的换热性能比圆形实验件要好；孔隙率越小，换热性能越好；高径比越小，换热性能越好；同等条件下，微针肋热沉比微通道热沉具有更好的换热性能，但是压力损失较大。 最后对微针肋热沉的流动与传热进行了数值模拟，模拟值和实验值吻合的很好。层流模型可以用来模拟低雷诺数下的横掠微针肋热沉的流动与传热问题。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：物理量名称及符号表

声明

第1章前言

1.1选题的背景和意义

1.1.1电子设备的散热问题

1.1.2大功率半导体激光器的散热问题

1.2微冷却技术介绍

1.2.1微热管技术

1.2.2微通道冷却技术

1.2.3微热电制冷技术

1.2.4微喷流冷却与微喷雾冷却技术

1.2.5微射流冷却技术

1.3国内外的研究现状

1.3.1宏观尺度下流体横掠针肋热沉的研究现状

1.3.2微尺度下流体掠过针肋热沉的研究现状

1.4本课题的来源和主要研究内容

第2章微针肋热沉实验系统和实验方案

2.1微针肋热沉的加工制作

2.1.1热沉基体材料的选取

2.1.2加热膜材料的选取

2.1.3加工工艺

2.1.4热沉的封装

2.1.5制作完成的实验件

2.2实验装置

2.3实验件结构

2.4实验步骤

2.4.1阻力实验

2.4.2传热实验

2.5实验误差分析

2.5.1实验误差环节

2.5.2误差分析

2.6本章小结

第3章微针肋热沉的流动特性分析

3.1微针肋热沉的几何尺寸

3.2实验结果

3.2.1流动分析

3.2.2压力降与流量关系

3.3数据处理

3.4实验结果分析

3.4.1实验摩擦阻力系数与宏观尺度实验关联式的对比分析

3.4.2实验摩擦阻力系数与微尺度下关联式对比分析

3.4.3各实验件摩擦阻力系数的对比分析

3.5本章小结

第4章微针肋热沉的传热特性分析

4.1微针肋热沉的传热模型的建立

4.2传热分析

4.3数据处理

4.4 SCP3实验结果与分析

4.4.1加热膜温度分布

4.4.2热阻

4.4.3对流换热系数和努塞尔特数

4.5 SCP3和同等条件下微通道热沉的对比分析

4.6实验结果分析

4.7本章小结

第5章微针肋热沉流动和传热特性的数值模拟

5.1微针肋热沉的物理模型的建立

5.2控制方程

5.3流动和换热边界条件的设定

5.3.1流动边界条件

5.3.2热边界条件

5.4网格划分

5.5控制方程离散格式及迭代精度的控制

5.6数据处理

5.7 SCP3模拟结果分析

5.7.1速度场分布

5.7.2温度场分布

5.7.3模拟结果和实验结果对比分析

5.8 ACP1模拟结果分析

5.8.1速度场分布

5.8.2模拟结果和实验结果对比分析

5.9本章小结

结论

参考文献

附录摩擦阻力系数实验值与关联式预测值数据表

攻读硕士学位期间所发表的学位论文

致谢