狭小空间散热元件结构优化研究所有专业(编辑修改稿)

狭小空间散热元件结构优化研究所有专业(编辑修改稿)内容摘要：

绪 论 3 其包括两种情况：容积沸腾 (静止液体沸腾，又叫池沸腾 )和流动沸腾。 IBM 公司曾研制出采用浸渍式池状沸腾冷却方案的液体封装组件 (LEM)，它的换热系数可高达 1700～ 5700W/（ 2m K ）。 然而，对于相变冷却的应用，还有一些技术问题尚待解决，特别是流动沸腾。 在某些情况下，深冷技术也在电子元器件冷却方面发挥了重要的作用，如 ETA 大型计算机就使用了深冷技术。 对于某些大功率巨型计算机系统，其芯片的冷却也可以采用了循环效率较高的蒸汽压缩式制 冷装置，这种方法的优点是制冷量及制冷温度范围方面均比较宽广，机器设备结构紧凑，循环效率高。 （ 5）其他冷却技术 电子设备的微型化及特殊用途有时要求使用一些特殊的冷却方式，其中研究较多的有热管传热冷却，热虹吸管传热冷却，毛细管抽气环 (CPL) 冷却及热电制冷等。 1）热管冷却 热管技术具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、环境的适应性等优良特点，可以满足电子电器设备对散热装置紧凑、可靠、控制灵活、高散热效率、不需要维修等要求 ]9[。 因此，热管 技术已在电气设备散热、电子器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面取得很多应用成果。 随着高热流密度散热冷却要求的提出，热管式冷板得到大家的广泛关注和重视，其应用基础研究目前集中在它的性能试验与数值模拟分析方面，但总的说来这方面的研究文献还很少，这方面工作最为突出的是 和 等人针对一种平板热管及变化结构进行了详细的理论分析和试验研究，通过试验表明它能够适应 10～ 150 W/cm2 高热流密度的工况，进一步通过数值模拟建立了平 板热管的启动和关闭时的数学模型，分析求解了平板热管的启动和关闭的瞬态温度场分布性能，发现热流密度大小、壁面、毛细芯厚度和热输入形式是影响热管稳定工作时间的主要因素。 国内研究人员也对平板热管进行了研究和试验，李菊香的研究得出热管式均热平板在厚度方向上布置的圆孔通道孔径和孔间距越小，工作表面上的最大温差就越小。 2）热电制冷 热电制冷 ]5[ 是建立在帕尔贴效应基础上的一种电制冷方法。 它的优点是无噪声和震动、体积小、结构紧凑、操作维护方便、不需要制冷剂、制冷量和制冷速度可通过 改变电流大小来调节。 它在恒温和功率密度大的系统中得到了广泛应用，同时还可以用来冷却低温超导电子器件。 克服这种制冷器冷量小和制冷系数低的不足，提高能效比及其经济性，是热电制冷设计和使用的关键。 通过对以上散热方式的比较可以得知，风冷散热是现在最为常见且使用率最东北电力大学本科毕业论文 4 高也是最成熟的方法的一种散热方式，这种散热方式简单、直接、性能可靠、技术成熟、成本最低，可以解决我们通常的散热需要，因而被普遍使用。 风冷散热是目前给 CPU散热的主要方式。 采用风扇和 散热器组 件的空气强迫对流冷却方式被广泛使用，这个领域内已有相当多的研究成果 ，对于 CPU散热器的研究更多的是关注散热片间空气的流动特性和结构尺寸对散热性能的影响。 很多学者对散热肋片的传热状况进行了理论研究。 他们从等截面直肋入手，分析了等截面直肋的温度分布、肋表面的散热量及其肋片效率。 这些成果为形状复杂的多肋片散热器的研究提供了很好的思路。 散热元件的应用 采用散热器的目的在于将元器件表面上散发的 热量直接传导出来，然后借助热辐 射、自然对流或者强迫空气冷却，将热量散发至周围环境的空气中，散热器上的散热片提供了能够满足有效热耗散的散热表面积 ]10[。 散热器的散热片通过加工形成长长的、矩型的散热片 (实芯或者中间镂空 )、正交方形散热针柱、或者圆型、椭圆型散热针柱。 后面三种“针柱状散热器”设计，可以允许气流从任意方向通过散热器。 方型针柱状散热器在强迫空气冷却的情况下，会产生严重的紊流现象，从而会引起较大的背压。 为了能够满足自然对流冷却，长长的矩形散热片散热器必须从散热片的垂直方向进行安装，以确保受热气流能够顺畅地流动。 目前美国麻萨诸塞州的 Wake field Engineering 公司推出的一系列散热器，能够满足功率器件 (诸如 :TO220 和 TO218)等单个元器件的冷却。 它们一般的应用范围包括电源、调压器和马达控制，所用的器件耗能为 510w，这些器件能够通过螺钉紧固件或者弹簧夹子与散热器相互联接。 美国加利福尼亚州的 IERC 公司推出的矩型散热器采用了中间镂空的散热片，它们可以让不定向的气流流动。 这种散热器能够适应于诸如 Intel 奔腾系列微信息处理芯片的使用，它通过手动控制夹紧装置将散热器稳固地附着在器件上面。 如今在实际应用中，常常将散热器与整个风扇结合在一起使用。 美国罗得艾兰州的 Chip Coolers公司推出的低轮廓散热系统 .整个高度不 89mm()，为 T 能够达到在笔记本电脑中对 CPU进行冷却设计的目的，这个散热组件可夹紧在 CPU 上，这里预先采用了作为热接触材料的簿 膜。 Ake Malhammar 研究了芯片表面和环境之间的温度差、肋间距、肋片厚度、空气来流速度等参数对散热器的散热量的影响 ]11[ . 综上所述，国内外开展的关于提升散热片散热性能方面的研究工作主要集中在散热片的结构尺寸上 ,而确定散热片结构尺寸是依据传热获得的，运用 CFD第一章 绪 论 5 软件 Fluent 对等截面直肋散热片侧送风强迫 对流换热方式下，不同参数时的温度场进行模拟，可以确定其传热效率最终得到最佳的结构尺寸。 论文研究方案与 新颖性 运用 CFD 软件 Fluent 分别 对等截面直肋 和三角肋 散热器侧送风强迫对流换热方式下，不同肋厚、肋高、肋间距的温度场进行模拟，获得三种参数对散热器散热能力的影响规律和最佳参数。 最终得到散热器最佳尺寸 以及最佳肋片形状 ，验证计算结果与模拟结果 的一致性。 本文的新颖性在于不仅仅对等截面直肋不同肋高肋厚肋间距的模型模拟温度流场，还增加了三角肋片的模型，采用与直肋 相同 参数的模型进行温度流场模拟 ，通过两种不 同形状肋片温度云图的比较，选出最佳尺寸、最佳形状的肋片设计方案，增加了方案的理论性与真实性。 东北电力大学本科毕业论文 6 第二章 CFD 及 FLUENT 简介 CFD 简介 CFD（ Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。 其基本思想可以归纳为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之 间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 CFD 可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。 通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况。 根据离散原理的不同， CFD 大体上可以分三个分支：有限差分法（ Finite Difference Method， FDM）、有限元法（ Finite Element Method， FEM）、有限体积法（ Finite Volume Method， FEM）。 有限差分法是应用最早、最经典的 CFD 方法，它将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。 求差分方程组的解，就是求微分方程定解问题的数值近似解，它是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法。 有限元法吸收了有限差分法中离散处理的内核，又采用了变分计算中选择逼近函数并对区域进行积分的合理方法，是这两类方法相互结合、取长补短发展的结果。 它具有很广泛的适应性，特别适用于几何及物理条件 比较复杂的问题，而且便于程序的标准化，对椭圆型方程问题有更好的适用性。 但有限元法求解速度较有限差分法和有限体积法慢，因此在商业 CFD 软件中应用并不是普遍。 有限体积法是将计算区域划分为一系列控制体积，将待解微分方程对每一个控制体积积分得出离散方程。 该方法的关键是在导出离散方程过程中，需要对界面上的被求函数本身及其导数的分布做出某种形式的假设，用该方法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数物理意义明确，计算量相对小，计算效率高，在目前 CFD 领域中得到了广泛应用。 FLUENT 简介 从本质上讲， FLUENT 只是一个求解器。 FLUENT 本身提供的主要功能包括导入网格模型、提供计算的物理模型、施加边界条件和材料特性、求解和后第二章 CFD 及 FLUENT 简介 7 处理。 GAMBIT 可生成供 FLUENT 直接使用的网格模型。 ● 求解器 ①分离式求解器（ segregated solver） 分离式求解器是顺序地、逐一地求解各方程（关于 u、 v、 w 、 p 和 T 的方程）。 也就是先在网格上解出一个方程后，再解另外一个方程。 由于控制方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在得到收敛之前要经过多轮迭代。 分离式求解方法主要用 于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动。 ②耦合式求解器（ coupled solver） 耦合式求解器是同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分输运方程的耦合方程组，然后，再逐一地求解湍流等标量方程。 由于控制方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在得到收敛之前要经过多轮迭代。 对于高速可压流动，或需要考虑体积力（浮力或离心力）的流动，求解问题时网格要比较密，应采用耦合隐式求解方法求解能量和动量方程，可以较快的收敛，但需要的内存较大。 ● 边界条件 FLUENT 提供的边界类型有十种，四大类，下面简要介绍 常用的边界条件。 速度进口（ velocityinlet）边界，用于定义流动进口处的流动速度和其他标量型流动变量，只用于不可压流。 在设置速度进口边界时，边界不能离固体障碍物过近，因为这会导致入流驻点特性具有较高的非一致性。 压力出口（ pressureoutlet）边界，需要在出口边界处设置静压（相对 压力），且静压值的设置只用于亚音速流动，如果当地流动变为超音速，所设置的压力就不再被使用了，此时压力要从内部流动中推断，在这种边界条件下，所有其他的流动属性都从内部推断。 出流（ outflow）边界，用于模拟在 求解前流速和压力未知的出口边界，在该边界上，用户不需定义任何内容，该边界适用于出口处的流动是完全发展的情况。 壁面（ wall）边界，用于限定 fluid 和 solid 区域，在粘性流动中，壁面处默认为无滑移边界条件，但用户可以根据壁面边界区域的平移或转动来指定一个切向速度分量，或者通过指定剪切来模拟一个“滑移”壁面。 对称（ symmetry）边界，用于物理外形以及所期望的流动的解具有镜像对称特征的情况，也可以用来描述粘性流动中的零滑移壁面。 在对称边界上，不需要定义任何边界条件，但必须定义对称边界的位置。 ● 离散格式与欠松弛因子 常见的离散格式有：中心差分、一阶迎风、二阶迎风、混合格式、指数格式、乘方格式、 QUICK 格式。 东北电力大学本科毕业论文 8 控制方程中的扩散项一般采用中心差分格式离散，而对流项则可以采用多种不同的格式进行离散。 FLUENT 在默认情况下，当使用分离式求解器时，所有的方程中的对流项均采用一阶迎风格式离散；当使用耦合式求解器时，流动方程使用二阶精度格式、其它方程使用一阶迎风格式离散。 一般来讲，在一阶精度格式下容易收敛，但精度较差。 有时，为了加快计算速度，可先在一阶精度格式下计算，然后再转到二阶精度格式下计算。 QUICK 格式具有三阶精度，应用广泛，但主要应用于六面体或四边形网格。 如果二阶精度足够，即使采用 QUICK 格式，结果也不一定好。 因为在压力修正方程中略去了部分项，因此，计算过程的收敛速度受到一定影响，如果略去的项过多，有可能导致迭代过程发散。 为了加快收敛速度，采用了欠松弛技术，从而引入了欠松弛因子。 选择一个比较准确的欠松弛因子，对流动计算的效率有着至关重要的影响。 过大的值可能导致解的震荡或发散，过小的值可能导致解的收敛特别慢。 由于合理的欠松弛因子取决于所解决的流动问题本身，因此，没有办法找出最优的欠松弛 因子，只能逐个算例去实验。 多数情况下，可初选速度的欠松弛因子为 ，然后进行实验观察迭代收敛的情况，最后选定符合特定问题的欠松弛因子。 ● 压力 — 速度耦合方程的解法 FLUENT 提供了四种压力 — 速度耦合方程的解法，分别为： SIMPLE、SIMPLEC、 PISO、 Coupled。 求解压力耦合方程组的半隐式方法 SIMPLE 算法（ SemiImplicit Method for PressureLinked Equations）是一种主要用于求解不可压流场的数值方法，它的核心是采用“猜测 修正 ”的过程，在交错网格的基础上来计算压力场，从而求解动量方程（ NS 方程）。 SIMPLEC（ SIMPLE Consistent），意为协调一致的 SIMPLE 算法，它与 SIMPLE 算法的计算步骤相同，只是没有像 SIMPLE 算法那样略去了速。