（制冷及低溫工程專業(yè)論文）帶肋表面氣體噴吹冷卻的數(shù)值研究.pdf

中文摘要 本文以對(duì)微電子芯片的散熱為工程背景，將其抽象為發(fā)熱表面的有效冷卻問(wèn) 題，研究以空氣為輸運(yùn)熱量介質(zhì)的散熱技術(shù)，試圖采用氣體噴吹與加肋片的散熱 方式相結(jié)合，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)扇與肋片結(jié)合的散熱方式，使噴吹在局部區(qū)域產(chǎn)生 高換熱系數(shù)的同時(shí)，運(yùn)用肋片的不同分布形式減小熱量與溫度分布的不均勻性。 在整個(gè)發(fā)熱表面上，氣體噴吹會(huì)產(chǎn)生極大的熱量不均勻的分布，而熱的不均勻分 布，會(huì)造成發(fā)熱表面的局部溫度過(guò)高，容易產(chǎn)生熱應(yīng)力的問(wèn)題，從而使得功率元 件的散熱效能和可靠性下降。 本文對(duì)于具有一定功率的發(fā)熱元件，通過(guò)對(duì)它散熱的物理現(xiàn)象的分析，建立 與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)和幾何模型，通過(guò)運(yùn)用數(shù)值分析軟件對(duì)其進(jìn)行求解，驗(yàn)證這種 氣體噴吹與肋片散熱相結(jié)合的新型的散熱技術(shù)的可行性。在保持空氣質(zhì)量流量和 其他參數(shù)不變的條件下，運(yùn)用數(shù)值分析軟件對(duì)噴嘴及肋片散熱器的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行 一定程度的優(yōu)化，最終使其散熱效果達(dá)到最佳。通過(guò)數(shù)值求解，可以對(duì)不同工況 下得到的速度場(chǎng)以及溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行分析，觀察影響換熱效果的因素，對(duì)于噴 嘴來(lái)說(shuō)，受影響的主要因素在于噴嘴的尺寸、噴吹的速度以及噴嘴的排列形式； 而對(duì)于肋片散熱器來(lái)說(shuō)，肋片高度則是主要因素，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析后可以確定出這 些基本幾何參數(shù)的取值范圍。 最后根據(jù)前邊的分析，設(shè)計(jì)了幾種不同形式的散熱器，如v 型、拋物線型、 橢圓形肋片高度分布函數(shù)的散熱器，通過(guò)對(duì)這三種形式進(jìn)行散熱分析，發(fā)現(xiàn)v 型散熱效果最好，因此，最終設(shè)計(jì)了由v 型組合在一起的波浪型肋片高度分布 函數(shù)的散熱器形式。證明其與普通肋片散熱器相比，在相同的工況下，比普通散 熱器的散熱效果好，而且還更節(jié)省原材料。 關(guān)鍵詞：氣體噴吹肋片散熱器肋片高度數(shù)值研究 a b s t r a c t t h ec o o l i n gt e c h n o l o g yt h a tu s ea i ra st h em e d i u mo ft r a n s p o r t i n gh e a ti si n v e s t i g a t e d ， t a k i n gt h eh e a td i s s i p a t i o no fm i c r o e l e c t r o n i cc h i pa st h eb a c k g r o u n d ，a b s t r a c t i n gi ta s t h ee f f i c i e n tc o o l i n gp r o b l e mo fas u r f a c e a no r i g i n a lm e t h o do fd i s s i p a t i n gh e a ti s p r o v i d e d ，w h i c hu s e st h ea i ri m p i n g i n gt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t ht h ef i nh e a ts i n k i n s t e a do ft h ec o n v e n t i o n a lf a nc o o l i n gt e c h n o l o g y i tn o to n l yc o u l dp r o d u c eh i g h h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti nl o c a la r e ab ya i ri m p i n g i n g ，b u ta l s oc o u l de l i m i n a t et h e n o n u n i f o r m i t yo fh e a tf l u xa n dt e m p e r a t u r ef i e l di nt h ew h o l es u r f a c eb yf mh e a ts i n k t h ea i ri m p i n g i n gc o u l dp r o d u c eh i g hn o n u n i f o r mh e a tf l u xf i e l di nt h ew h o l es u r f a c e ， w h i c hi se a s yt ob ed e s t r o y e dd u et ot h eh i g hl o c a lt e m p e r a t u r e a n dt h et h e r m a ls t r e s s w h i c ha l s or e s u l tf r o mt h en o n u n i f o r m ，w i l ll e a dt od e s c e n do ft h eh e a td i s s i p a t i o n e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y i tc a n tw o r kr e g u l a r l ya tl a s t m a t h e m a t i c a la n dg e o m e t r i c a lm o d e li sb u i l tb ya n a l y z i n gt h ep h y s i c a lp h e n o m e n o n o fh e a td i s s i p a t i o no nah i 【g h - d e n s i t yp o w e rc o m p o n e n t f e a s i b i l i t yo ft h en e w - s t y l e c o o l i n gm e t h o di si m p r o v e db yn u m e r i c a la n a l y s i s t h es t r u c t u r e so fn o z z l e sa n df i n h e a ts i n ka r eo p t i m i z e db yc f d ；i tc o u l da c h i e v et h eo p t i m u mb yh o l d i n gt h ea i rm a s s f l o wf l u xa n do t h e rp a r a m e t e r s t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h eh e a td i s s i p a t i o ne f f i c i e n c y i sc o n f i r m e db ya n a l y z i n gt h ef l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l d i na l lk i n d so fw o r k i n g c o n d i t i o n s c o n s i d e r i n gt h en o z z l e s ，t h em a i nf a c t o r sa r es i z eo fn o z z l e s ，v e l o c i t yo f i m p i n g i n g ，a n dt h ea r r a n g i n gt y p e ；c o n s i d e r i n gt h ef i nh e a ts i n k ，t h e ya r et h el e n g t h a n dw i d t ho ff r o ，t h e s ep r i m a r yp a r a m e t e r sw i l lb ec o n f i r m e db yc o m p u t i n g i nt h ee n d ，s e v e r a lt y p e so fh e a ts i n k sa r ep r o v i d e d , t h a tt h eh e i g h t so ff i n sa r e d e s i g n e db ys o m ef u n c t i o n s ，e g t h evp a r a b o l aa n de l l i p s et y p e i ti sp r o v e dt h a tt h e e f f i c i e n c yo fvt a p ei st h eb e s tb ya n a l y z i n gt h eh e a td i s s i p a t i o no ft h et h r e ek i n d so f h e a ts i n k s t h e nt h ew a v yh e a ts i n kf o r m e dw i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h el i n e a ro n e si s p r o v i d e d ，w h o s ep e r f o r m a n c eo fh e a td i s s i p a t i o ni sb e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a lo n e ， a n dc a na l s os a v et h er a wm a t e r i a li nt h es a m ew o r k i n gc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：a i r i m p i n g i n g ，f i nh e a ts i n k ，h e i g h to ff i n ，n u m e r i c a li n v e s t i g a t e l v 天津大學(xué)碩士學(xué)何論文 帶肋表碰氣體噴吹冷卻的數(shù)值研究 符號(hào)表 發(fā)熱面積與散熱面積，所2 肋片長(zhǎng)度，m 肋片高度，朋 噴嘴入口的當(dāng)量直徑，m 速度，m s 時(shí)均速度，m s 脈動(dòng)速度，m s 壓力，p 口 熱力學(xué)溫度，k 密度，堙川3 比定壓熱容，j l ( k g k 1 湍流脈動(dòng)動(dòng)能，j 姆 對(duì)流換熱系數(shù)，w ( m 2 k l 導(dǎo)熱系數(shù)，形“i 1 1 2 k l 湍流動(dòng)能耗散率，w 咯 雷諾數(shù)，川1 ， 發(fā)熱功率，形 發(fā)熱表面的熱流密度，c p i 1 2 流體的質(zhì)量流量，堙s 4 儼一w 一一u 4，辦以蠔一致虬p r p勺七廳a占k痧留甌 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得墨盜盤(pán)堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。， 學(xué)位論文作者簽名： 簽字吼姊年舌月夕日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解基盜盤(pán)堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)苤鲞盤(pán)堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明) 學(xué)位論文作者魏晌塌 簽字日期：函0 年6 月f 7 日 lf 導(dǎo)師簽名： 簽字日期：7 年月，7 日 天律六學(xué)碩士學(xué)位嗆文帶肋表血?dú)怏w噴畋猙自j 的數(shù)值f 究 1 1 課題研究背景 第一章緒論 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子元器件的物理尺寸愈來(lái)愈小，其功耗卻持 續(xù)增加，因此，高熱流密度的形成成了一股不可抗拒的發(fā)展趨勢(shì)。 如今，微電子芯片的應(yīng)用已遍及至日常生活、生產(chǎn)乃至國(guó)家安全的各個(gè)層面， 它在現(xiàn)代文明中扮演著極其重要的角色。1 9 4 7 年b e l l 實(shí)驗(yàn)室的w i l l i a m b s h o c l d e y 、j o h n b a r d * o n 和w a i t e r hb m t t a i n 發(fā)明了世界上第一個(gè)晶體管，從而 開(kāi)辟了電子時(shí)代的新紀(jì)元，為今后徽電子技術(shù)的發(fā)晨奠定了基礎(chǔ)。在集成電路發(fā) 明以后微電子技術(shù)一直通過(guò)縮小器件特征尺寸、提高電子系統(tǒng)集成度來(lái)提高性 能、降低成本。1 9 6 5 年，m o o r e 提出每過(guò)1 8 2 4 個(gè)月，芯片集成度將提高一倍， 這就是著名的“摩爾定律”( m o o r e sl a w ) 。4 0 多年來(lái)微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程證 實(shí)了摩爾的預(yù)言，而且在今后的一段時(shí)間內(nèi)仍將按此趨勢(shì)發(fā)展。1 9 7 1 年i n t e l 公 司生產(chǎn)的第一個(gè)芯片4 0 0 4 ，圖1 - 1 ( a ) ，只含2 3 0 0 個(gè)晶體管。而如今據(jù)國(guó)外媒體 報(bào)道，i b m 的p o w e r 6 處理器，圖1 - 1 ，采用6 5 納米生產(chǎn)工藝，擁有7 億只晶 體管，井將于今年供應(yīng)服務(wù)器市場(chǎng)。同時(shí)i n t e l 公司日前宣布制造出首款采用4 5 納米生產(chǎn)工藝的芯片，與6 5 納米工藝相比，最新的4 5 納米技術(shù)在晶體管密度上 提高了兩倍，達(dá)到1 0 億個(gè)，而功耗卻降低三成，預(yù)計(jì)將于今年下半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。 高集成度對(duì)于計(jì)算機(jī)性能的升級(jí)是有利的，然而由此帶來(lái)的問(wèn)題是，芯片功率 與功率密度的急劇增加，使芯片耗能和散熱問(wèn)題也逐漸凸現(xiàn)出來(lái)，以i n t c l 公司 生產(chǎn)的芯片為例，如表1 - l 所示。 j 謄謄黔； 心謠豁融滋斟 ( a ) 第一個(gè)芯片( i n t d 4 0 0 4 ) 圖卜1 i b m 的p o w e r 6 芯片的發(fā)展進(jìn)程 第一章紹論 芯片發(fā)展的趨勢(shì)是進(jìn)一步提高集成度、減小芯片尺寸及增大時(shí)鐘頻率。隨著 電子設(shè)備復(fù)雜性的增加，如果各種發(fā)熱元件散發(fā)出來(lái)的熱量不能夠及時(shí)散發(fā)出 去，就會(huì)造成熱量積聚，從而導(dǎo)致各個(gè)元器件的溫度超過(guò)各自所能承受的極限， 使得電子設(shè)備的可靠性大大降低。 表1 1i n t e l 部分芯片的熱規(guī)格 竺型竺竺三竺竺二蓋三墨， 5 x x- 15 5 x 一5 7 x 3 4 3 81 1 57 2 8 c e l e r o ndn a3 2 x 一3 5 x2 5 3 3 28 46 7 7 i n t e l 公司負(fù)責(zé)芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)的首席技術(shù)官帕特蓋爾欣格指出f 1 ：“目前， 我們?cè)谠O(shè)計(jì)和制造芯片時(shí)僅受到生產(chǎn)成本的限制。但放眼看去，耗能和散熱將成 為一個(gè)根本性的限制，我們必須在芯片總體設(shè)汁中認(rèn)真考慮這兩個(gè)問(wèn)題?！薄叭?果芯片耗能和散熱問(wèn)題得不到解決，至u 2 0 1 0 年時(shí)，芯片的溫度將會(huì)達(dá)到火箭發(fā)射 時(shí)高溫氣體噴嘴的水平，而n 2 0 1 5 年就會(huì)像太陽(yáng)的表面一樣熱?！币虼巳绾螌O 高的熱量有效的排散掉，并將芯片溫度保持在較低水平已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn) 題，事實(shí)上不僅對(duì)于計(jì)算機(jī)芯片，對(duì)于航空電子設(shè)備、功率電子設(shè)備、光電器件 以及近年來(lái)發(fā)展迅速的微納電子機(jī)械系統(tǒng)、生物芯片等都存在類似的廣泛而迫 切的散熱冷卻需要，有的情況下要求甚至更高，比如，一些微系統(tǒng)的熱流密度已 高達(dá)1 0 3 w c m 2 【2 】。 由于高溫將會(huì)對(duì)電子元器件的性能產(chǎn)生對(duì)各方面都有害的影響，譬如過(guò)高的 溫度會(huì)危及半導(dǎo)體的結(jié)點(diǎn)，損傷電路的連接界面，增加導(dǎo)體的阻值和形成機(jī)械應(yīng) 力損傷，因此，確保發(fā)熱電子元件所產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)排出，是一個(gè)很重要的 方面。 1 2 熱設(shè)計(jì)及其實(shí)施 在電子設(shè)備中，熱功率損失通常以熱能耗散的形式表現(xiàn)，而任何具有電阻的 天律大學(xué)碩十學(xué)俯論文帶肋表向氣體噴吹冷去| j 的數(shù)倩研究 元件都是一個(gè)內(nèi)部熱源。當(dāng)電子設(shè)備進(jìn)行工作時(shí)，由于功率損失，器件本身溫度 會(huì)有所一 ：升，同時(shí)電子設(shè)備周圍的環(huán)境溫度亦會(huì)影響設(shè)備內(nèi)部溫度，從而影響至0 電子器件工作的可靠性。在電子行業(yè)，器件的環(huán)境溫度升高l o 時(shí)，往往失效率 會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，這就是所謂的“l(fā) o 法則”。 目前情況下，電子設(shè)備的主要失效形式之一就是熱失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備 的失效，有5 5 是溫度超過(guò)規(guī)定的值而引起的。例如集成電路芯片，它在9 0 時(shí) 的基本失效率為0 5 l ，是集成電路芯片在4 0 時(shí)的7 5 倍。而且隨著溫度的不斷增 加，電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。所以，熱設(shè)計(jì)就成為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中不可忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)，尤其是在對(duì)工作溫度有較高要求的場(chǎng)合中，必須進(jìn)行結(jié) 構(gòu)的熱設(shè)計(jì)。 所謂熱設(shè)計(jì)，就是利用熱的傳遞特性，通過(guò)采用適當(dāng)可靠的冷卻措施，控制 電子設(shè)備內(nèi)部所有的電子器件的溫度，使其在設(shè)備所處的工作環(huán)境條件下，不超 過(guò)規(guī)定的最高允許工作溫度的設(shè)計(jì)技術(shù)。在發(fā)熱表面上，通常溫度最高的位置被 稱為“熱點(diǎn)”。熱設(shè)計(jì)的結(jié)論必須保證，電子器件的熱點(diǎn)溫度不超過(guò)9 0 1 1 0 的 溫度范圍，必須保證裝置的可靠性。保證產(chǎn)品正常運(yùn)行的安全性、長(zhǎng)期運(yùn)行的可 靠性，是我們對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的主要目的。 對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，它的實(shí)施主要采用的是以下兩種方法： 1 熱電模擬回路法 利用電路分析方法，將熱電流( 功耗) 模擬為電流，溫差模擬為電壓( 電位差) ， 熱阻模擬成電阻，熱導(dǎo)模擬成電導(dǎo)，可以用電路網(wǎng)絡(luò)表示的方法來(lái)處理熱設(shè)計(jì)的 問(wèn)題，不僅電氣工程師熟悉，而且有利于用計(jì)算機(jī)分析計(jì)算。這種方法，是一種 傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法，適用于各種傳熱方式。 對(duì)于傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類比或應(yīng)用有限的換熱公式進(jìn)行預(yù)先估 計(jì)，最終主要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)交替完成整個(gè)熱設(shè)計(jì)過(guò)程。其特點(diǎn)是結(jié)果不夠精確。為 保證散熱效果，通常留有較大的余量，易造成材料浪費(fèi)，并占用較大空間，且設(shè) 計(jì)速度慢，已無(wú)法滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)要求。因此，必須要找到一種更快捷、 更準(zhǔn)確的熱設(shè)計(jì)方法。 2 計(jì)算機(jī)輔助熱分析與模擬 近年來(lái)，根據(jù)微電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的發(fā)展需求，即需要在產(chǎn)品的預(yù)研和開(kāi)發(fā)階 段解決其熱設(shè)計(jì)的大方向問(wèn)題，對(duì)熱設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行全面的分析，對(duì)熱設(shè) 計(jì)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)，對(duì)熱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。因此，這正是微電子設(shè)備開(kāi)發(fā) 競(jìng)爭(zhēng)激烈、周期短、樣機(jī)一次通過(guò)率要求高等特點(diǎn)所需要的。 要實(shí)現(xiàn)熱設(shè)計(jì)，就需要可靠、工程化強(qiáng)的熱設(shè)計(jì)仿真分析軟件的支持。而以 計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)的c f d ( c o m p u t a t j 伽a lf l u i dd y n a m i c s ) 的熱設(shè)計(jì)仿真，可以 第一章緒論 在j l 4 , 時(shí)內(nèi)獲得復(fù)雜熱設(shè)計(jì)方案的分析結(jié)果，這對(duì)傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，基本上是不 可能的。因此，要實(shí)現(xiàn)前期熱設(shè)計(jì)，就必須要具備流體動(dòng)力學(xué)及傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)等多 方面的知識(shí)。借助于熱設(shè)計(jì)仿真分析軟件，可以快速而準(zhǔn)確地得到系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì) 分析結(jié)果，據(jù)此可對(duì)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)等提供直觀而難確的依據(jù)，從而大大加快熱設(shè)計(jì) 的速度并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。由于電子設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境、結(jié)構(gòu)工藝等千差萬(wàn)別，商品 化的熱分析軟件就得到了廣泛的應(yīng)用。 1 3 熱設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀 冷卻技術(shù)中輸運(yùn)熱量的介質(zhì)涉及到流體( 氣液) 、聲子、電子和光子五種。對(duì) 于不同的冷卻技術(shù)，它們都有各自的特點(diǎn)。這里，對(duì)冷卻和散熱在概念上的細(xì)微 差異將不作詳細(xì)的區(qū)分，在本文中，可以把它們均理解為將發(fā)熱表面上的熱量散 走的意思。 對(duì)于傳統(tǒng)的氣冷方式，目前仍能適應(yīng)功耗發(fā)展的需要，但是在一些電子設(shè)備 的狹小空間中就受到了限制。液體因單位熱容相對(duì)氣體較大，因而以之作為循環(huán) 工質(zhì)的冷卻方式能提供更高的冷卻功率，若考慮相變傳熱后，更有利于實(shí)現(xiàn)高熱 量的轉(zhuǎn)移。下面將介紹目前應(yīng)用不同介質(zhì)的幾種冷卻技術(shù)。 1 噴淋冷卻技術(shù)( e m b e d d e dd r o p l e ti m p i n g e m e n tf o ri n t e g r a t e dc o o l i n go f e l e c t r o n i c s ，e d i f i c e ) ：此項(xiàng)技術(shù)是利用陣列型的微噴嘴噴出的微小液滴，噴灑于 發(fā)熱表面上的熱點(diǎn)產(chǎn)生處，利用液滴的相變，直接帶走表面熱點(diǎn)上的熱量，而達(dá) 到冷卻的目的。 2 氣體噴吹冷卻技術(shù)( i m p i n g i n g j e t s ) ：它的優(yōu)點(diǎn)是可以在局部產(chǎn)生很高的傳 熱系數(shù)，并且是氣體單相的冷卻技術(shù)。目前，應(yīng)用于微小熱點(diǎn)的冷卻方法，還有 熱電冷卻法和微熱管冷卻法等，它們因受限于尺寸與材質(zhì)而很難達(dá)到理想的冷卻 效率。在這里，使用氣體噴吹冷卻方法，可直接帶走微小熱點(diǎn)上的熱而達(dá)到高效 冷卻的目的。 3 微槽道熱沉散熱技術(shù)( m i c r o c h a n n e lh e a ts i n k ) ：上世紀(jì)八十年代，由美國(guó) 學(xué)者t u c k e m l a n 和p e a s e l 3 】提出。他們?cè)诠栊酒衔g刻加工出具有一定高深寬比的 微小通道，其槽寬和壁厚均為5 0 微米，通道的高寬比約為1 0 。他們的實(shí)驗(yàn)表明， 當(dāng)水的流量為1 0c m 3 s ，水的溫升為7 1 時(shí)，冷卻熱流可高達(dá)7 9 0 v 礦c b l 2 。由 于硅具有良好的導(dǎo)熱性能，加上單晶硅對(duì)一般的流體具有抗腐蝕性，非常適合做 熱交換器的材料，且加工技術(shù)與半導(dǎo)體制作是相通的，將來(lái)可以較容易的與感測(cè) 器、與制動(dòng)器相結(jié)合。 4 熱聲冷卻技術(shù)( t h e r m o a c o u s t i cr e f r i g e r a t o r ) ：聲波冷卻的原理是利用熱聲 4 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文帶肋表面氣體噴吹冷占的數(shù)債研究 現(xiàn)象，以驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生聲波，在共振管內(nèi)形成駐波或行波，以來(lái)回振蕩的聲波周期 性地壓縮與膨脹工作氣體，再利用工作氣體與固體邊界的傳熱遲滯現(xiàn)象完成熱力 循環(huán)，將熱量由冷端移至熱端，產(chǎn)生制冷的效應(yīng)。 5 熱電冷卻技術(shù)( t h e r m o e l e c t r i cc o o l i n g ) ：是基于帕爾貼效應(yīng)( p e l t i e re f f e c t ) 實(shí)現(xiàn)的。在兩種不同金屬組成的閉合線路中，若通以直流電，就會(huì)使一個(gè)節(jié)點(diǎn)變 冷而另一節(jié)點(diǎn)變熱，這種現(xiàn)象就是帕爾貼效應(yīng)，也稱為溫差電效應(yīng)。當(dāng)通入電流 后，電源提供電子流動(dòng)所需的能量，電子由負(fù)極出發(fā)首先經(jīng)過(guò)p 極半導(dǎo)體，吸收 了熱量，再經(jīng)過(guò)n 極半導(dǎo)體時(shí)將熱量釋放出來(lái)，這樣每經(jīng)過(guò)一組p n 結(jié)，就有熱的 傳遞造成溫度差，進(jìn)而形成冷端和熱端。此時(shí)，冷端可以接觸需要散熱的物體， 而熱端可以接一些散熱的裝置。 6 微熱管冷卻技術(shù)( m i c r oh e a tp i p e ) ：熱管是利用相變來(lái)強(qiáng)化換熱的傳統(tǒng)技 術(shù)，其概念最早i = l ：t c o t t e r 4 1 提出。熱管的一端為蒸發(fā)段，另一端為冷凝段，根據(jù) 需要可以在二者之間布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)，毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽 化，蒸汽在微小壓差作用下流向另一端，釋放熱量并凝結(jié)成為液體，此后，液體 再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用返回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，即將熱量由熱管的一 端輸運(yùn)至另一端 6 1 。 7 回路式熱管冷卻技術(shù)( l o o ph e a tp i p e ) ：它的技術(shù)特征在于吸熱的蒸汽與 放熱后的冷凝液是在不同的管路中活動(dòng)，大幅降低了傳統(tǒng)熱管所面臨的高流動(dòng)阻 力的現(xiàn)象。 8 毛細(xì)泵吸環(huán)路冷卻技術(shù)( c a p i l l a r yp u m p e dl o o p ，c p l ) ：它與回路式熱管相 似，當(dāng)熱源和熱沉部分因?yàn)橥庠诃h(huán)境所處的相對(duì)位置不同時(shí)，則熱傳導(dǎo)機(jī)制便有 所不同。若熱源的位置較低，熱沉位置較高時(shí)，則環(huán)路循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力主要為液體 因受熱而形成密度差的浮力為主。 綜上所述，要滿足電子器件冷卻的要求，就需要發(fā)展各種新型的冷卻技術(shù)， 或者要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn)，從而充分發(fā)揮各種冷卻技術(shù)的特點(diǎn)，真 正實(shí)現(xiàn)對(duì)電子器件的高效冷卻。 強(qiáng)迫空氣冷卻作為比較經(jīng)濟(jì)、方便的冷卻手段，在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的過(guò)程中， 得到了普遍的應(yīng)用。通過(guò)各種擴(kuò)展肋片，改進(jìn)氣流分布，增大風(fēng)壓等措施，氣冷 方式的散熱能力已可達(dá)到1 0 0w c m 2 i 5 】。 現(xiàn)今在大部分的計(jì)算機(jī)芯片冷卻中，廣泛應(yīng)用的還是微型風(fēng)扇加鋁制肋片的 散熱方式，這是一種典型的強(qiáng)迫氣冷方式，如圖1 2 所示。風(fēng)扇在整個(gè)肋片散熱 器的上端產(chǎn)生一定的均勻流，通過(guò)此流體的流動(dòng)與肋片之間的強(qiáng)迫對(duì)流換熱，對(duì) 底面微電子發(fā)熱器件進(jìn)行冷卻。目前，常用的肋片散熱器，其平面端( 基座) 緊 貼在發(fā)熱體表面，其工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，由高溫向低溫傳導(dǎo)而到達(dá)肋片上，隨后 第一章緒論 通過(guò)微型風(fēng)扇的強(qiáng)迫散熱使熱量被流動(dòng)的空氣帶走，從而對(duì)發(fā)熱元件表面起到散 熱作用。這種加肋片的散熱器，是通過(guò)強(qiáng)迫散熱來(lái)限制發(fā)熱元件的溫升的。對(duì)于 這種傳統(tǒng)的氣冷方式，其缺點(diǎn)在于，這時(shí)空氣的流動(dòng)速度較小其穿透力較差 對(duì)流換熱效果也較差。不能對(duì)艘熱表面進(jìn)行高效的冷卻。雖然通過(guò)提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn) 速，可以加大其散熱效果，但由此而帶來(lái)的噪音和風(fēng)扇壽命問(wèn)題卻讓這種散熱方 式舉步為艱因此，現(xiàn)在很需要一種能夠徹底解決噪音和散熱平衡的散熱方式。 圖1 - 2 風(fēng)扇加肋片的傳統(tǒng)散熱方式 氣體噴吹冷卻技術(shù)，它可以在需要冷卻的表面的局部區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的換熱效 果。它的優(yōu)點(diǎn)在于，氣體噴吹的速度很大，可以直接打在發(fā)熱表面上，高效地帶 走發(fā)熱表面的熱量。因此，為了使它能夠取代傳統(tǒng)的風(fēng)扇加肋片的氣冷方式，就 需要對(duì)其進(jìn)行深入的設(shè)計(jì)研究。 1 4 噴吹技術(shù)的文獻(xiàn)綜述 噴歡，就是指流體在壓差作用下，通過(guò)一噴嘴垂直( 或成一定傾角) 地噴射 到被冷卻的表面上，從而使直接受到?jīng)_擊的區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的換熱效果。由于流體 噴吹技術(shù)在保持其流量一定的條件下，噴嘴的直徑越小，產(chǎn)生的速度越高，由此 而產(chǎn)生的對(duì)流換熟系數(shù)也就越大，從而可以有效地帶走被冷卻的發(fā)熱體表面上的 熱量。 在一些需要很高對(duì)流換熱系數(shù)的情況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了噴吹的大量應(yīng)用?？諝?噴吹的工業(yè)應(yīng)用，包括玻璃的回火，紙和紡織品的烘干，咀及金屬薄片的冷卻， 微電子器件和渦輪機(jī)葉片1 6 1 。盡管對(duì)這些噴嘴的應(yīng)用，已經(jīng)可以在滯止區(qū)域產(chǎn)生 很高的換熱系數(shù)，但是隨著遠(yuǎn)離滯止區(qū)域，其冷卻性能卻在迅速的下降，如圖 l 一3 所示。 天律太學(xué)幀r 學(xué)侍論文帶肋表血?dú)怏w噴吹挎卸的數(shù)伉研究 m b * 圖1 3 自由噴吹沖擊發(fā)熱體表面示意圖 沆劫h 目 噴吹的流體離開(kāi)噴嘴表面后，由于與周圍靜止介質(zhì)之間的動(dòng)量交換，流體的 直徑不斷擴(kuò)大，而在其中心處仍保持著一個(gè)速度均勻的核心區(qū)。在流體到達(dá)沖擊 表面前的區(qū)域，稱為自由噴吹。抵達(dá)沖擊表面后，流體向四周沿著壁面橫向流動(dòng)， 形成貼壁流動(dòng)區(qū)。固體表面上，正對(duì)噴嘴中心處的區(qū)域就稱為滯止區(qū)域。這里 的局部換熱強(qiáng)度特別高。然而，流體一旦離開(kāi)了滯止區(qū)域，向四周橫向流動(dòng)，換 熱系數(shù)就會(huì)大大降低。隨著流體的流動(dòng)分離以及空氣的夾帶，會(huì)使其換熱效果更 加惡化。 因此，當(dāng)加熱或冷卻一種大表面面積的工業(yè)產(chǎn)品時(shí)，就用到了排列噴嘴。在 這些情況下，排列噴嘴之間的交互作用在冷卻性能中就非常重要。在沖擊被冷卻 的表面之后，壁面噴吹的相互碰撞會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的流場(chǎng)。 i - $ e z a i 和乙by a l d a b b a g h l l ( 2 0 m ) 通過(guò)穩(wěn)態(tài)下的三維n s 方程和能量方程 研究了射流層流方形多噴嘴的流動(dòng)和換熱特征。在噴嘴與噴嘴間距分別為4 d ， 5 d 和6 d ，且噴嘴出口到平扳距爵在0 2 5 d 到9 d 之間時(shí)，進(jìn)行了數(shù)值模擬，其中 d 是噴嘴寬度。計(jì)算結(jié)果顯示出，在一個(gè)加熱平板上的方形多噴嘴射流的流動(dòng)結(jié) 構(gòu)是受噴嘴與平板間距強(qiáng)烈影響的。另一方面，滯止點(diǎn)的局部最大努謝爾數(shù)的 大小，是不受噴嘴與噴嘴的距離影響的。如圖l - 4 所示為噴嘴與噴嘴間距取為 5 d ，噴嘴與平板距離為d 的情況下，在y 方向的中間平面上，x z 平面的流線圖。 00匡墨美0臣殛甄受硬蠆重趣蠶簦蠶。050 10 150202 e x 。 圖1 - 4x - z 平面的流線圖 晰f 二聲| 斗“二二w 自自、 、| ；慕二，j忿巡 第章緒淪 i c h i m i y a 并l h o s a k a l s ( 1 9 9 2 ) 對(duì)由三個(gè)射流噴嘴引起的流動(dòng)和換熱特點(diǎn)，進(jìn)行了 實(shí)驗(yàn)上( 層流和湍流射流) 的研究，以及數(shù)值上( 僅有層流的情況) 的模擬。層 流的模擬是在r e = 5 0 0 時(shí)進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果都顯示出，在兩個(gè)噴嘴之間會(huì) 產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)，且最大換熱量的位置取決于鄰近噴嘴處的流動(dòng)以及噴嘴與沖擊 表面之間的距離。a i s a n e a l 9 ( 1 9 9 2 ) 在進(jìn)行的層流數(shù)值模擬中考慮到，在多噴嘴 射流結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的橫向流動(dòng)的效果。他發(fā)現(xiàn)，橫向流動(dòng)的存在，使有利于噴嘴射 流的換熱特征退化了，并且可以減少高達(dá)6 0 的表面上的平均努謝爾數(shù)。 s e y e d e i n i l o ( 1 9 9 4 ) 通過(guò)數(shù)值計(jì)算研究了二維的流場(chǎng)和換熱情況，他是對(duì)射流雷諾 數(shù)6 0 0 r e ( o 0 2 0 0 3 ) m y - - 4 , ( 0 0 0 5 o 0 1 5 ) m y 一( 0 0 2 o 0 3 ) m y 一( 0 0 3 5 0 0 4 5 ) m 【z - 40 0 2 9 m【z 一0 0 2 9 m【z 一0 0 2 9 m 在散熱器的肋片間隙之間設(shè)置流體的流動(dòng)出口，則其尺寸是5 0 x l m m 的一系 列排列設(shè)置的出口，如圖2 2 所示。 圖2 2 噴嘴與肋片散熱器相結(jié)合的模型 2 2 數(shù)學(xué)模型的建立 數(shù)值計(jì)算作了如下基本假設(shè)：( 1 ) 流體為牛頓流體，其物性參數(shù)為常數(shù)；( 2 ) 流 體在壁面上無(wú)滑移：( 3 ) 流動(dòng)是定常的，且是對(duì)稱的；( 4 ) 散熱器底座為等熱流密度 邊界：( 5 ) 不考慮自然對(duì)流換熱及輻射換熱：( 6 ) 流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)的。在三維直角坐標(biāo)系 下，建立發(fā)熱表面冷卻問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型如下。 質(zhì)量守恒方程( 連續(xù)性方程) ： 1 2 天津大學(xué)碩士學(xué)何論文帶肋表面氣體噴吹冷卻的數(shù)值研究 d i v ( u ) = 0 動(dòng)量守恒方程( n s 方程) ： d i v ( p u ) ：一a p + d i v ( # g r a d z ，) a x d i v ( p 舢) = 一o p + d i y ( # g r a d v ) o y d i v ( p w u ) ：一o p + d i v ( # g r a d w ) 能量守恒方程： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 機(jī)( 州丁) ：坊，( 三鰣r ) + s r ( 2 - 3 ) c p 其中，源項(xiàng)品= s h + ，s h 為流體的內(nèi)熱源，為由于粘性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)換為 熱能的部分，亦即耗散函數(shù)。 2 3 湍流的數(shù)值模擬 實(shí)際的噴吹問(wèn)題，一般都處在湍流狀態(tài)。關(guān)于湍流運(yùn)動(dòng)與換熱的數(shù)值計(jì)算， 是目前計(jì)算流體力學(xué)與計(jì)算傳熱學(xué)中困難最多，因而研究最活躍的領(lǐng)域之一。已 經(jīng)采用的數(shù)值計(jì)算方法可以大致分為以下三類。 1 直接模擬( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 這是用三維非穩(wěn)態(tài)的n s 方程對(duì)湍流進(jìn)行直接數(shù)值計(jì)算的方法。要對(duì)高度復(fù) 雜的湍流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行直接的數(shù)值計(jì)算，必須采用很小的時(shí)間與空間步長(zhǎng)，才能分辨 出湍流中詳細(xì)的空間結(jié)構(gòu)及變化劇烈的時(shí)間特性。湍流的直接模擬對(duì)內(nèi)存空間及 計(jì)算速度的要求非常高，目前還無(wú)法用于工程數(shù)值計(jì)算。只有少數(shù)能使用超級(jí)計(jì) 算機(jī)的研究者才能從事這一類研究和計(jì)算。 2 大渦模擬( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n 。l e s ) 按照湍流的渦旋學(xué)說(shuō)，湍流的脈動(dòng)與混合主要是由大尺度的渦造成的。大尺 度的渦從主流中獲得能量，它們是高度的非各向同性，而且隨流動(dòng)的情形而異。 大尺度的渦通過(guò)相互作用把能量傳遞給小尺度的渦。小尺度渦的主要作用是耗散 能量，它們幾乎是各向同性的，而且不同流動(dòng)中的小尺度渦有許多共性。關(guān)于渦 旋的上述認(rèn)識(shí)就導(dǎo)致了大尺度渦模擬的數(shù)值解法。大渦模擬方法對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存及 第。? 章帶肋片表面噴吹冷卻問(wèn)題的模型 速度的要求雖然仍比較高，但遠(yuǎn)低于直接模擬方法對(duì)計(jì)算機(jī)資源的要求，在工作 站上甚至在p c 機(jī)上都可以進(jìn)行一定的研究工作，因而近年來(lái)的研究與應(yīng)用日趨 廣泛。 3 應(yīng)用r e y n o l d s 時(shí)均方程( r e y n o l d s a v e r a g i n ge q u a t i o n s ) 的數(shù)值模擬方法 在這類方法里，將非穩(wěn)態(tài)控制方程對(duì)時(shí)間作平均，在所得出的關(guān)于時(shí)均物理 量的控制方程中包含了脈動(dòng)量乘積的時(shí)均值等未知量，于是所得方程的個(gè)數(shù)就小 于未知量的個(gè)數(shù)。而且不可能依靠進(jìn)一步的時(shí)均處理而使控制方程組封閉。要使 方程組封閉，必須作出假設(shè)，即建立模型。這種模型把未知的更高階的時(shí)間平均 值表示成較低階的計(jì)算中可以確定的量的函數(shù)。 這是目前工程湍流計(jì)算中所采用的基本方法。在r e y n o l d s 時(shí)均方程法中， 又有r e y n o l d s 應(yīng)力方程法及湍流粘性系數(shù)法。湍流粘性系數(shù)法，也成為湍流動(dòng) 力粘度法，是目前工程流動(dòng)與數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用最廣的方法。 2 3 1 湍流對(duì)流換熱的r e y n o l d s 時(shí)均方程 將三個(gè)坐標(biāo)方向的瞬時(shí)速度表示成時(shí)均值與脈動(dòng)值之和并代入連續(xù)性方程， 再對(duì)該式作時(shí)均運(yùn)算，就可得到如下時(shí)均形式的連續(xù)性方程： 塑+ 塑+ 坐：o 缸砂 瑟 ( 2 4 ) 把三個(gè)方向上的動(dòng)量方程寫(xiě)成直角坐標(biāo)中張量符號(hào)形式。為與通用對(duì)流擴(kuò) 散方程在形式上的一致，得下列時(shí)均形式i 拘n a v i e r - s t o k e s 方程，f f l j r e y n o l d s 方程： 塑立+o(pu,ui)：一挈+旦(，7墮一雨)(f：1，3)(2-5)ot o x ：_ a x io x ：“o x ：i ” 一 對(duì)其它莎變量作類似的處理，可得 幽+o(puj矽)o ：旦( r 絲一p 勱+ s (26)to x0 x0 ；i、x；1 j l j 、。 1 關(guān)于脈動(dòng)值乘積的時(shí)均值的討論 a ) 湍流模型( t u r b u l e n c em o d e l ) 由一h 述時(shí)均方程的導(dǎo)出過(guò)程可見(jiàn)，一次項(xiàng)在時(shí)均前后的形式保持不變，而二 1 4 天津大學(xué)幀十學(xué)位論文帶肋表面氣體噴吹冷卻的數(shù)值研究 次項(xiàng)( 即乘積項(xiàng)) 在時(shí)均化處理后9 l u 產(chǎn)生包含脈動(dòng)值的附加項(xiàng)。這些附加項(xiàng)代表 了由于湍流脈動(dòng)所引起的能量轉(zhuǎn)移( 應(yīng)力、熱流密度等) ，其中( 一p u l u ? ) 稱為 r e y n o l d s 應(yīng)力或湍流應(yīng)力。在式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 的5 個(gè)方程中含有多于5 個(gè)的未 知量，因而該五個(gè)方程是不封閉的。為了使描寫(xiě)湍流對(duì)流換熱的方程組得以封閉， 必須找出確定這些附加項(xiàng)的關(guān)系式，并且這些關(guān)系式中不能再引入新的未知量， 否則又需要補(bǔ)充新的方程。實(shí)際上，湍流脈動(dòng)值附加項(xiàng)的確定是用r e y n o l d s 時(shí)均 方程計(jì)算湍流的核心內(nèi)容。所謂湍流模型就是把湍流的脈動(dòng)值附加項(xiàng)與時(shí)均值聯(lián) 系起來(lái)的一些特定關(guān)系式。 b ) 湍流粘性系數(shù)法 在湍流粘性系數(shù)法中，把湍流應(yīng)力表示成湍流粘性系數(shù)的函數(shù)，整個(gè)計(jì)算的 關(guān)鍵就在于確定這種湍流粘性系數(shù)。 ( 1 ) 湍流粘性系數(shù) b o u s s i n e s q ( 1 8 7 7 ) 假設(shè)，湍流脈動(dòng)所造成的附加應(yīng)力也與層流運(yùn)動(dòng)應(yīng)力那樣 可以同時(shí)均的應(yīng)變率關(guān)聯(lián)起來(lái)。我們知道，層流時(shí)聯(lián)系流體的應(yīng)力與應(yīng)變率的本 構(gòu)方程( c o n s t i t u t i o ne q u a t i o n ) 為： 叫吲考+ 甄別 仁力 其中r l 是分子擴(kuò)散所造成的動(dòng)力粘性。 仿此，湍流脈動(dòng)所造成的應(yīng)力可以表示稱為： 一面如) r 二蠊朋( 考+ 甄別 ( 2 - 8 ) 上式各物理量均為時(shí)均值( 為方便起見(jiàn)，此后，除脈動(dòng)值的時(shí)均值外，其它時(shí)均 值的符號(hào)均予以略去) 。只是脈動(dòng)速度所造成的壓力，定義為： b ：曇p ( 7 + 7 + 了) ：i 2 肚( 2 - 9 ) j - ， 這里k 是單位質(zhì)量流體湍流脈動(dòng)動(dòng)能： 七= 三( 7 + 7 + 丙 ( 2 - l o ) 第一：章帶肋片表血噴吹冷卻l n j 題的模型 式( 2 一l o ) 中的7 7 ，稱為湍流粘性系數(shù)( t u r b u l e n tv i s c o s i t y ) ，它是空間坐標(biāo)的函數(shù)，取 決于流動(dòng)狀態(tài)而不是物性參數(shù)，而分子粘性7 7 則是物性參數(shù)。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，凡是 由流體分子擴(kuò)散所造成的遷移特性，如動(dòng)力粘度，導(dǎo)熱系數(shù)等，不加下標(biāo)，由湍 流脈動(dòng)所造成的量加下標(biāo)t 。 ( 2 ) 湍流擴(kuò)散系數(shù)( t u r b u l e n td i f f u s i v i t y ) 類似于湍流切應(yīng)力的處理，對(duì)其它變量的湍流脈動(dòng)附加項(xiàng)可以引入相應(yīng)的 湍流擴(kuò)散系數(shù)，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)均以r 表示，則湍流脈動(dòng)所傳遞的通量可以通過(guò)下 列關(guān)系式而與時(shí)均參數(shù)聯(lián)系起來(lái)： 一刀吐考 ( 2 - 1 1 ) 值得指出，雖然r , 與r ，都不是流體的物性參數(shù)而取決于湍流的流動(dòng)，但是 實(shí)驗(yàn)表明，其比值，即湍流p r a n d t l 數(shù)( 如果廬是溫度) 或湍流s c h m i d t 數(shù)( 如果 是質(zhì)交換方程的組分) 則常常近似地可以視為是一常數(shù)，在湍流數(shù)值計(jì)算的文獻(xiàn) 中，常用符號(hào)盯表示這兩個(gè)量的比值，即： 盯：丑 r f ( 2 - 1 2 ) 鑒于此，而且口一般取為常數(shù)( 自由噴吹中約為0 6 ，貼壁噴吹中約為0 9 ) ，因而 討論的重點(diǎn)將在仇的確定上。 ( 3 ) 時(shí)均形式的通用對(duì)流一擴(kuò)散方程 將式( 2 - 8 ) 代入式( 2 5 ) 中后，可以把b 與p 組合成一個(gè)有效壓力： p 夠= p = p + 毛p k ( 2 1 3 ) 這樣，時(shí)均形式的動(dòng)量方程仍然可以表示成常規(guī)的對(duì)流一擴(kuò)散方程的形式，而把 不能歸入到對(duì)流、擴(kuò)散項(xiàng)中的部分都納入源項(xiàng)中。 綜