高熱流密度微結(jié)構(gòu)散熱器換熱特性的研究.pdf

1、微結(jié)構(gòu)散熱器由于結(jié)構(gòu)緊湊、熱流密度大、低熱阻、薄片型設(shè)計(jì)、可批生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是解決未來小體積、高集成、大功率、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的激光器和電子設(shè)備高熱流密度散熱問題的有效途徑之一。微結(jié)構(gòu)中由于流動(dòng)通道尺度小，在獲得高熱流密度散熱同時(shí)，往往伴隨大壓降問題，這對(duì)流體驅(qū)動(dòng)泵的選用和微結(jié)構(gòu)散熱器的集成封裝提出了苛刻的要求。本文針對(duì)微結(jié)構(gòu)冷卻時(shí)壓降太大的問題，提出了大高寬比微結(jié)構(gòu)散熱器的設(shè)計(jì)思路。采用水為冷卻介質(zhì)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的大高寬比散熱器內(nèi)單相流動(dòng)

2、和換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論研究。
　　 本文主要工作包括：
　　 (1）微結(jié)構(gòu)散熱器流體進(jìn)、出口位置對(duì)槽道內(nèi)流體分配均勻性及散熱器性能的影響。采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究微結(jié)構(gòu)散熱器接口對(duì)其內(nèi)流量分配和換熱特性影響，提出采用流量和溫度不平均系數(shù)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)進(jìn)口方式對(duì)槽道內(nèi)流量分配的影響，得出最優(yōu)進(jìn)出口布置方式，并指導(dǎo)后續(xù)研究中微結(jié)構(gòu)散熱器進(jìn)出口位置的設(shè)計(jì)。
　　 (2）為克服微槽道流阻較大問題，提出采用大高寬比小

3、槽道構(gòu)建散熱器。設(shè)計(jì)并加工三種不同尺寸的大高寬比小槽道散熱器，實(shí)驗(yàn)研究其內(nèi)單相流動(dòng)和換熱特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同流量時(shí)，大高寬比小槽道散熱器內(nèi)的壓降小于微槽道。單位長(zhǎng)度壓降和雷諾數(shù)成正比，并與槽道高寬比的0.33次方、槽道水力學(xué)直徑的三次方成反比?；诖罅繉?shí)驗(yàn)，總結(jié)出其散熱特性Nu數(shù)與槽道高寬比、槽道長(zhǎng)徑比、Re數(shù)和Pr數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。
　　 (3）采用擾流法強(qiáng)化大高寬比小槽道散熱器的散熱性能。本文提出在槽道入口處設(shè)置擾流，通過

4、增加入口流體脈動(dòng)方式來強(qiáng)化小槽道散熱，系統(tǒng)研究前置擾流大高寬比小槽道散熱器內(nèi)的流動(dòng)和換熱特性。研究結(jié)果表明，擾流使槽道內(nèi)壓降增加5％，但散熱能力有10％的提升；擾流使槽道內(nèi)進(jìn)口段長(zhǎng)度增大；并考慮槽肋比、擾流直徑與槽道高度的比值等對(duì)換熱的影響擬合了有擾流槽道Nu數(shù)和無量綱進(jìn)口加熱長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)關(guān)系式。
　　 (4）針對(duì)微小槽道內(nèi)層流流動(dòng)特點(diǎn)，為了更進(jìn)一步強(qiáng)化流體內(nèi)混合，本文采用針肋代替槽道進(jìn)行微結(jié)構(gòu)散熱器設(shè)計(jì)，并對(duì)其內(nèi)流動(dòng)和換熱特性進(jìn)

5、行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微方肋散熱器內(nèi)流體摻混效果非常好，當(dāng)Re數(shù)在300左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象；在相同流量和表面溫度時(shí)，大高寬比微方肋散熱器的散熱效果要優(yōu)于小槽道散熱器，且換熱特性與常規(guī)針肋和微針肋都不同，最后給出了符合大高寬比微方肋散熱器的對(duì)流換熱關(guān)系式。
　　 (5）微細(xì)尺度通道內(nèi)流動(dòng)，表面粗糙度對(duì)流動(dòng)與換熱影響較大。本文建立了基于確定表面粗糙結(jié)構(gòu)形狀的PML模型，研究表面粗糙度對(duì)三維小槽道內(nèi)流動(dòng)和換熱特性的影響，數(shù)值結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表面粗

6、糙度效應(yīng)使得槽道內(nèi)出現(xiàn)流動(dòng)和換熱底層。在該底層內(nèi)平均速度和溫度都呈線性分布；當(dāng)Re數(shù)相同時(shí)，單位長(zhǎng)度壓降和Nu數(shù)與相對(duì)粗糙度成二次方關(guān)系；當(dāng)粗糙度相同時(shí)，槽道內(nèi)壓降和Nu數(shù)都與Re成線性關(guān)系。
　　 (6）為了改進(jìn)現(xiàn)有散熱器的換熱性能，面向熱流密度為50-100W/cm2散熱需求，設(shè)計(jì)了多孔泡沫銅填充曲折槽道散熱器和插入肋片式槽道散熱器，并對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)散熱器內(nèi)的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與理論分析。結(jié)果表明，多孔泡沫銅填充的曲折