（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 題，研究以空氣為輸運熱量介質(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，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風扇與肋片結(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，運用肋片的不同分布形式減小熱量與溫度分布的不均勻性。 在整個發(fā)熱表面上，氣體噴吹會產(chǎn)生極大的熱量不均勻的分布，而熱的不均勻分 布，會造成發(fā)熱表面的局部溫度過高，容易產(chǎn)生熱應(yīng)力的問題，從而使得功率元 件的散熱效能和可靠性下降。 本文對于具有一定功率的發(fā)熱元件，通過對它散熱的物理現(xiàn)象的分析，建立 與之相對應(yīng)的數(shù)學(xué)和幾何模型，通過運用數(shù)值分析軟件對其進行求解，驗證這種 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，運用數(shù)值分析軟件對噴嘴及肋片散熱器的結(jié)構(gòu)分別進行 一定程度的優(yōu)化，最終使其散熱效果達到最佳。通過數(shù)值求解，可以對不同工況 下得到的速度場以及溫度場的分布進行分析，觀察影響換熱效果的因素，對于噴 嘴來說，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； 而對于肋片散熱器來說，肋片高度則是主要因素，經(jīng)過計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，通過對這三種形式進行散熱分析，發(fā)現(xiàn)v 型散熱效果最好，因此，最終設(shè)計了由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 符號表 發(fā)熱面積與散熱面積，所2 肋片長度，m 肋片高度，朋 噴嘴入口的當量直徑，m 速度，m s 時均速度，m s 脈動速度，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 湍流脈動動能，j 姆 對流換熱系數(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)下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨盜盤堂或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。， 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 本學(xué)位論文作者完全了解基盜盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)苤鲞盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢 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 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 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)位嗆文帶肋表血氣體噴畋猙自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。 如今，微電子芯片的應(yīng)用已遍及至日常生活、生產(chǎn)乃至國家安全的各個層面， 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 實驗室的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)明了世界上第一個晶體管，從而 開辟了電子時代的新紀元，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)一直通過縮小器件特征尺寸、提高電子系統(tǒng)集成度來提高性 能、降低成本。1 9 6 5 年，m o o r e 提出每過1 8 2 4 個月，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 多年來微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程證 實了摩爾的預(yù)言，而且在今后的一段時間內(nèi)仍將按此趨勢發(fā)展。1 9 7 1 年i n t e l 公 司生產(chǎn)的第一個芯片4 0 0 4 ，圖1 - 1 ( a ) ，只含2 3 0 0 個晶體管。而如今據(jù)國外媒體 報道，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。同時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，達到1 0 億個，而功耗卻降低三成，預(yù)計將于今年下半年實現(xiàn)量產(chǎn)。 高集成度對于計算機性能的升級是有利的，然而由此帶來的問題是，芯片功率 與功率密度的急劇增加，使芯片耗能和散熱問題也逐漸凸現(xiàn)出來，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)展進程 第一章紹論 芯片發(fā)展的趨勢是進一步提高集成度、減小芯片尺寸及增大時鐘頻率。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)出來的熱量不能夠及時散發(fā)出 去，就會造成熱量積聚，從而導(dǎo)致各個元器件的溫度超過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 公司負責芯片內(nèi)部設(shè)計的首席技術(shù)官帕特蓋爾欣格指出f 1 ：“目前， 我們在設(shè)計和制造芯片時僅受到生產(chǎn)成本的限制。但放眼看去，耗能和散熱將成 為一個根本性的限制，我們必須在芯片總體設(shè)汁中認真考慮這兩個問題。”“如 果芯片耗能和散熱問題得不到解決，至u 2 0 1 0 年時，芯片的溫度將會達到火箭發(fā)射 時高溫氣體噴嘴的水平，而n 2 0 1 5 年就會像太陽的表面一樣熱?！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亟待解決的問 題，事實上不僅對于計算機芯片，對于航空電子設(shè)備、功率電子設(shè)備、光電器件 以及近年來發(fā)展迅速的微納電子機械系統(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1 0 3 w c m 2 【2 】。 由于高溫將會對電子元器件的性能產(chǎn)生對各方面都有害的影響，譬如過高的 溫度會危及半導(dǎo)體的結(jié)點，損傷電路的連接界面，增加導(dǎo)體的阻值和形成機械應(yīng) 力損傷，因此，確保發(fā)熱電子元件所產(chǎn)生的熱量能夠及時排出，是一個很重要的 方面。 1 2 熱設(shè)計及其實施 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 元件都是一個內(nèi)部熱源。當電子設(shè)備進行工作時，由于功率損失，器件本身溫度 會有所一 ：升，同時電子設(shè)備周圍的環(huán)境溫度亦會影響設(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，往往失效率 會增加一個數(shù)量級，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，電子設(shè)備 的失效，有5 5 是溫度超過規(guī)定的值而引起的。例如集成電路芯片，它在9 0 時 的基本失效率為0 5 l ，是集成電路芯片在4 0 時的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)增長趨勢。所以，熱設(shè)計就成為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計 中不可忽略的一個環(huán)節(jié)，尤其是在對工作溫度有較高要求的場合中，必須進行結(jié) 構(gòu)的熱設(shè)計。 所謂熱設(shè)計，就是利用熱的傳遞特性，通過采用適當可靠的冷卻措施，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 過規(guī)定的最高允許工作溫度的設(shè)計技術(shù)。在發(fā)熱表面上，通常溫度最高的位置被 稱為“熱點”。熱設(shè)計的結(jié)論必須保證，電子器件的熱點溫度不超過9 0 1 1 0 的 溫度范圍，必須保證裝置的可靠性。保證產(chǎn)品正常運行的安全性、長期運行的可 靠性，是我們對電子設(shè)備進行熱設(shè)計的主要目的。 對電子設(shè)備進行熱設(shè)計時，它的實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)表示的方法來處理熱設(shè)計的 問題，不僅電氣工程師熟悉，而且有利于用計算機分析計算。這種方法，是一種 傳統(tǒng)的熱設(shè)計方法，適用于各種傳熱方式。 對于傳統(tǒng)的熱設(shè)計，只能根據(jù)經(jīng)驗類比或應(yīng)用有限的換熱公式進行預(yù)先估 計，最終主要通過試驗來交替完成整個熱設(shè)計過程。其特點是結(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，并占用較大空間，且設(shè) 計速度慢，已無法滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品的開發(fā)要求。因此，必須要找到一種更快捷、 更準確的熱設(shè)計方法。 2 計算機輔助熱分析與模擬 近年來，根據(jù)微電子設(shè)備熱設(shè)計的發(fā)展需求，即需要在產(chǎn)品的預(yù)研和開發(fā)階 段解決其熱設(shè)計的大方向問題，對熱設(shè)計方案的可行性進行全面的分析，對熱設(shè) 計結(jié)果進行準確的預(yù)計，對熱設(shè)計方案進行優(yōu)化。因此，這正是微電子設(shè)備開發(fā) 競爭激烈、周期短、樣機一次通過率要求高等特點所需要的。 要實現(xiàn)熱設(shè)計，就需要可靠、工程化強的熱設(shè)計仿真分析軟件的支持。而以 計算流體力學(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)計仿真，可以 第一章緒論 在j l 4 , 時內(nèi)獲得復(fù)雜熱設(shè)計方案的分析結(jié)果，這對傳統(tǒng)熱設(shè)計來說，基本上是不 可能的。因此，要實現(xiàn)前期熱設(shè)計，就必須要具備流體動力學(xué)及傳統(tǒng)熱設(shè)計等多 方面的知識。借助于熱設(shè)計仿真分析軟件，可以快速而準確地得到系統(tǒng)的熱設(shè)計 分析結(jié)果，據(jù)此可對系統(tǒng)熱設(shè)計等提供直觀而難確的依據(jù)，從而大大加快熱設(shè)計 的速度并提高設(shè)計質(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)計方法現(xiàn)狀 冷卻技術(shù)中輸運熱量的介質(zhì)涉及到流體( 氣液) 、聲子、電子和光子五種。對 于不同的冷卻技術(shù)，它們都有各自的特點。這里，對冷卻和散熱在概念上的細微 差異將不作詳細的區(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)熱表面上的熱點產(chǎn)生處，利用液滴的相變，直接帶走表面熱點上的熱量，而達 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上的熱而達到高效 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 ) ：上世紀八十年代，由美國 學(xué)者t u c k e m l a n 和p e a s e l 3 】提出。他們在硅芯片上蝕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 。他們的實驗表明， 當水的流量為1 0c m 3 s ，水的溫升為7 1 時，冷卻熱流可高達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，將來可以較容易的與感測 器、與制動器相結(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)動器產(chǎn)生聲波，在共振管內(nèi)形成駐波或行波，以來回振蕩的聲波周期 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，就會使一個節(jié)點變 冷而另一節(jié)點變熱，這種現(xiàn)象就是帕爾貼效應(yīng)，也稱為溫差電效應(yīng)。當通入電流 后，電源提供電子流動所需的能量，電子由負極出發(fā)首先經(jīng)過p 極半導(dǎo)體，吸收 了熱量，再經(jīng)過n 極半導(dǎo)體時將熱量釋放出來，這樣每經(jīng)過一組p n 結(jié)，就有熱的 傳遞造成溫度差，進而形成冷端和熱端。此時，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 ) ：熱管是利用相變來強化換熱的傳統(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。當熱管的一端受熱時，毛細芯中的液體蒸發(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，大幅降低了傳統(tǒng)熱管所面臨的高流動阻 力的現(xiàn)象。 8 毛細泵吸環(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，當熱源和熱沉部分因為外在環(huán)境所處的相對位置不同時，則熱傳導(dǎo)機制便有 所不同。若熱源的位置較低，熱沉位置較高時，則環(huán)路循環(huán)的驅(qū)動力主要為液體 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)， 或者要對現(xiàn)有技術(shù)的具體應(yīng)用進行改進，從而充分發(fā)揮各種冷卻技術(shù)的特點，真 正實現(xiàn)對電子器件的高效冷卻。 強迫空氣冷卻作為比較經(jīng)濟、方便的冷卻手段，在電子設(shè)備熱設(shè)計的過程中， 得到了普遍的應(yīng)用。通過各種擴展肋片，改進氣流分布，增大風壓等措施，氣冷 方式的散熱能力已可達到1 0 0w c m 2 i 5 】。 現(xiàn)今在大部分的計算機芯片冷卻中，廣泛應(yīng)用的還是微型風扇加鋁制肋片的 散熱方式，這是一種典型的強迫氣冷方式，如圖1 2 所示。風扇在整個肋片散熱 器的上端產(chǎn)生一定的均勻流，通過此流體的流動與肋片之間的強迫對流換熱，對 底面微電子發(fā)熱器件進行冷卻。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，其工作時產(chǎn)生的熱量，由高溫向低溫傳導(dǎo)而到達肋片上，隨后 第一章緒論 通過微型風扇的強迫散熱使熱量被流動的空氣帶走，從而對發(fā)熱元件表面起到散 熱作用。這種加肋片的散熱器，是通過強迫散熱來限制發(fā)熱元件的溫升的。對于 這種傳統(tǒng)的氣冷方式，其缺點在于，這時空氣的流動速度較小其穿透力較差 對流換熱效果也較差。不能對艘熱表面進行高效的冷卻。雖然通過提高風扇的轉(zhuǎn) 速，可以加大其散熱效果，但由此而帶來的噪音和風扇壽命問題卻讓這種散熱方 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)生強烈的換熱效 果。它的優(yōu)點在于，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)的風扇加肋片的氣冷方式，就 需要對其進行深入的設(shè)計研究。 1 4 噴吹技術(shù)的文獻綜述 噴歡，就是指流體在壓差作用下，通過一噴嘴垂直( 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葉片1 6 1 。盡管對這些噴嘴的應(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)侍論文帶肋表血氣體噴吹挎卸的數(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 噴吹的流體離開噴嘴表面后，由于與周圍靜止介質(zhì)之間的動量交換，流體的 直徑不斷擴大，而在其中心處仍保持著一個速度均勻的核心區(qū)。在流體到達沖擊 表面前的區(qū)域，稱為自由噴吹。抵達沖擊表面后，流體向四周沿著壁面橫向流動， 形成貼壁流動區(qū)。固體表面上，正對噴嘴中心處的區(qū)域就稱為滯止區(qū)域。這里 的局部換熱強度特別高。然而，流體一旦離開了滯止區(qū)域，向四周橫向流動，換 熱系數(shù)就會大大降低。隨著流體的流動分離以及空氣的夾帶，會使其換熱效果更 加惡化。 因此，當加熱或冷卻一種大表面面積的工業(yè)產(chǎn)品時，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產(chǎn)生一個相當復(fù)雜的流場。 i - $ e z a i 和乙by a l d a b b a g h l l ( 2 0 m ) 通過穩(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，進行了數(shù)值模擬，其中 d 是噴嘴寬度。計算結(jié)果顯示出，在一個加熱平板上的方形多噴嘴射流的流動結(jié) 構(gòu)是受噴嘴與平板間距強烈影響的。另一方面，滯止點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 ) 對由三個射流噴嘴引起的流動和換熱特點，進行了 實驗上( 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 時進行的。實驗和數(shù)值結(jié)果都顯示出，在兩個噴嘴之間會 產(chǎn)生復(fù)雜的流動，且最大換熱量的位置取決于鄰近噴嘴處的流動以及噴嘴與沖擊 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)生的橫向流動的效果。他發(fā)現(xiàn)，橫向流動的存在，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 ) 通過數(shù)值計算研究了二維的流場和換熱情況，他是對射流雷諾 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 體在壁面上無滑移：( 3 ) 流動是定常的，且是對稱的；( 4 ) 散熱器底座為等熱流密度 邊界：( 5 ) 不考慮自然對流換熱及輻射換熱：( 6 ) 流動是穩(wěn)態(tài)的。在三維直角坐標系 下，建立發(fā)熱表面冷卻問題的數(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( 州丁) ：坊，( 三鰣r ) + s r ( 2 - 3 ) c p 其中，源項品= s h + ，s h 為流體的內(nèi)熱源，為由于粘性作用機械能轉(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 實際的噴吹問題，一般都處在湍流狀態(tài)。關(guān)于湍流運動與換熱的數(shù)值計算， 是目前計算流體力學(xué)與計算傳熱學(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 方程對湍流進行直接數(shù)值計算的方法。要對高度復(fù) 雜的湍流運動進行直接的數(shù)值計算，必須采用很小的時間與空間步長，才能分辨 出湍流中詳細的空間結(jié)構(gòu)及變化劇烈的時間特性。湍流的直接模擬對內(nèi)存空間及 計算速度的要求非常高，目前還無法用于工程數(shù)值計算。只有少數(shù)能使用超級計 算機的研究者才能從事這一類研究和計算。 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，湍流的脈動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，而且隨流動的情形而異。 大尺度的渦通過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，而且不同流動中的小尺度渦有許多共性。關(guān)于渦 旋的上述認識就導(dǎo)致了大尺度渦模擬的數(shù)值解法。大渦模擬方法對計算機內(nèi)存及 第。? 章帶肋片表面噴吹冷卻問題的模型 速度的要求雖然仍比較高，但遠低于直接模擬方法對計算機資源的要求，在工作 站上甚至在p c 機上都可以進行一定的研究工作，因而近年來的研究與應(yīng)用日趨 廣泛。 3 應(yīng)用r e y n o l d s 時均方程( 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)控制方程對時間作平均，在所得出的關(guān)于時均物理 量的控制方程中包含了脈動量乘積的時均值等未知量，于是所得方程的個數(shù)就小 于未知量的個數(shù)。而且不可能依靠進一步的時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間平均 值表示成較低階的計算中可以確定的量的函數(shù)。 這是目前工程湍流計算中所采用的基本方法。在r e y n o l d s 時均方程法中， 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 力粘度法，是目前工程流動與數(shù)值計算中應(yīng)用最廣的方法。 2 3 1 湍流對流換熱的r e y n o l d s 時均方程 將三個坐標方向的瞬時速度表示成時均值與脈動值之和并代入連續(xù)性方程， 再對該式作時均運算，就可得到如下時均形式的連續(xù)性方程： 塑+ 塑+ 坐：o 缸砂 瑟 ( 2 4 ) 把三個方向上的動量方程寫成直角坐標中張量符號形式。為與通用對流擴 散方程在形式上的一致，得下列時均形式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)于脈動值乘積的時均值的討論 a ) 湍流模型( t u r b u l e n c em o d e l ) 由一h 述時均方程的導(dǎo)出過程可見，一次項在時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( 即乘積項) 在時均化處理后9 l u 產(chǎn)生包含脈動值的附加項。這些附加項代表 了由于湍流脈動所引起的能量轉(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 個方程中含有多于5 個的未 知量，因而該五個方程是不封閉的。為了使描寫湍流對流換熱的方程組得以封閉， 必須找出確定這些附加項的關(guān)系式，并且這些關(guān)系式中不能再引入新的未知量， 否則又需要補充新的方程。實際上，湍流脈動值附加項的確定是用r e y n o l d s 時均 方程計算湍流的核心內(nèi)容。所謂湍流模型就是把湍流的脈動值附加項與時均值聯(lián) 系起來的一些特定關(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)，整個計算的 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)，湍流脈動所造成的附加應(yīng)力也與層流運動應(yīng)力那樣 可以同時均的應(yīng)變率關(guān)聯(lián)起來。我們知道，層流時聯(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 是分子擴散所造成的動力粘性。 仿此，湍流脈動所造成的應(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均值( 為方便起見，此后，除脈動值的時均值外，其它時均 值的符號均予以略去) 。只是脈動速度所造成的壓力，定義為： b ：曇p ( 7 + 7 + 了) ：i 2 肚( 2 - 9 ) j - ， 這里k 是單位質(zhì)量流體湍流脈動動能： 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 ) ，它是空間坐標的函數(shù)，取 決于流動狀態(tài)而不是物性參數(shù)，而分子粘性7 7 則是物性參數(shù)。為簡便起見，凡是 由流體分子擴散所造成的遷移特性，如動力粘度，導(dǎo)熱系數(shù)等，不加下標，由湍 流脈動所造成的量加下標t 。 ( 2 ) 湍流擴散系數(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，對其它變量的湍流脈動附加項可以引入相應(yīng)的 湍流擴散系數(shù)，為簡便起見均以r 表示，則湍流脈動所傳遞的通量可以通過下 列關(guān)系式而與時均參數(shù)聯(lián)系起來： 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，但是 實驗表明，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)值計算的文獻 中，常用符號盯表示這兩個量的比值，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 討論的重點將在仇的確定上。 ( 3 ) 時均形式的通用對流一擴散方程 將式( 2 - 8 ) 代入式( 2 5 ) 中后，可以把b 與p 組合成一個有效壓力： p 夠= p = p + 毛p k ( 2 1 3 ) 這樣，時均形式的動量方程仍然可以表示成常規(guī)的對流一擴散方程的形式，而把 不能歸入到對流、擴散項中的部分都納入源項中。 綜