微柱体对微通道热沉综合性能影响的数值分析

为强化微通道热沉的传热性能,设计一种内置微柱体的微通道热沉,并采用数值方法研究微柱体对微通道热沉内流体流动、传热及综合性能的影响。分析了进口雷诺数、微柱体的错位量对内置微柱体微通道热沉(微柱通道)的压降、热阻和努塞尔数的影响,并与光滑微通道热沉(光滑通道)进行对比。采用热阻与泵功的关系、熵产原则及性能评价准则对微通道热沉的综合性能进行评价。结果表明,微柱通道压降和努塞尔数随雷诺数增大而增大,热阻反而减小;在研究的雷诺数范围内,微柱通道压降比光滑通道的平均高84.3%,热阻平均低27.8%,而努塞尔数平均高54.5%;有错位量的微柱通道热阻比无错位量的平均低8.9%,而努塞尔数平均高12.6%;微柱通道综合性能优于光滑通道,且有错位量的微柱通道更优。     

联箱形式对微通道热沉流动与传热性能的影响

建立了微通道热沉的三维数值模型,同时求解流体Navier-Stockes方程、能量方程和固体区域的导热方程,模型计算结果与文献报道实验数据吻合较好.设计了新型的微通道热沉,采用本文模型对其性能进行分析计算.通过在联箱内加入隔板,设计了1-6弯头新型联箱微通道热沉,通过提高每程流速和引入交替顺逆流动,降低微通道热沉的热阻并提高其均温特性,并与直通型和Z型联箱设计比较.在8种联箱设计中,蛇形弯头联箱的热阻和均温特性均优于Z型和直通联箱,即便增大Z型和直通联箱制冷剂供液泵功,其热阻和均温性也很难达到低泵功下蛇形弯头联箱的性能.蛇形弯头数大于4时,底部中心线温度分布曲线基本重合,再增大弯头数,对降低热阻和提高均温性均无明显贡献,同时会增加额外的泵功.     

纳米流体矩形微通道热沉结构参数多目标优化

为了开发高效低阻的纳米流体微通道热沉,对单层矩形纳米流体微通道热沉几何结构参数进行了多目标优化。设计变量为高宽比α和微通道宽度与间距比β,优化目标是使全局热阻和泵功最小。对Pareto最优解进行K均值聚类分析发现,在5个聚类点的最高点和最低点之间存在有效权衡点,让泵功和热阻均处于较优范围内。实际设计中可以根据泵功或所需的热阻来选择最优结构参数。相对于高宽比,热阻和泵功对微通道宽度与间距比更敏感。尤其当β大于1.15时,其对热阻和泵功的影响非常强烈。相对于热阻,泵功对设计变量更敏感,在α和β的设计空间内,泵功的变化幅度约为360%,而热阻的变化幅度只有135%。纳米流体的热阻比去离子水显著减小,且随泵功的增大,去离子水和纳米流体热阻之差有缓慢增大的趋势。     

多孔挤压铝扁管电子芯片热沉的热性能研究

为了探讨多孔挤压铝扁管构成的新型微小通道热沉的换热特性，建立了三维共轭传热数值模型并通过实验验证了该模型的可靠性。模拟分析了在0.03 W的泵功消耗下，不同孔道高宽比、宽度比、孔道数目对热沉传热性能的影响，并详细计算导热热阻、对流热阻和热容热阻。讨论了不同内翅片的宽度及高度对强化传热系数 PEC的影响，提出了最佳的翅片宽度。该研究为此类型热沉的设计提供了参考依据。     

高效微射流阵列冷却热沉的数值模拟

对一种用于大功率二极管激光条的微射流阵列冷却热沉进行了三维数值模拟.热沉以无氧铜为材料,以水为冷却介质.通过对比3种κ-ε湍流模型后,选用RNG k-ε湍流模型计算.结果表明,在狭长区域内1-2列微射流阵列的流动与传热因受边界的影响强烈,与单孔和多孔多列浸没式射流有很大的差别.热沉的性能受孔数、孔径、孔间距及排列位置和方式影响,其中,二列微射流热沉比单列微射流热沉性能有明显的改善.     

基于热阻网络模型的铜基微通道热沉设计优化

研究表明微通道的截面形状、尺寸以及数量显著影响流体在通道中的传热性能。基于热阻网络模型和计算流体力学(CFD,computational fluid dynamics)模拟,对适用于流动沸腾散热的铜基微通道设计进行了热性能分析。根据实验和模拟计算结果,在确保微通道内热边界层发展区满足恒定壁温条件下,8个平行的尺寸为200μm高,800μm宽,10 mm长的铜基微通道阵列即可满足一般的流动沸腾应用所需要的对流散热量(如6 kW/m~2)。该微通道热沉设计可以在30 min内达到稳定,也可以在相对较短的时间内将目标系统维持在稳定的合理工作温度。此外,实验结果表明在微通道入口处的流体冲击流动可以提高微通道壁面与工作流体之间的对流换热系数,并且在很大程度上降低了壁温。     

双层Y形分叉仿生微通道换热性能及优化设计

针对电子器件的小型化和集成化的趋势以及较高的散热要求,基于仿生思想,设计了双层Y形分叉仿生微通道并研究其传热性能。对于分叉角和分级数进行了优化,得到最佳分叉角为60°,分级数为2。设计双层逆流微通道热沉对电子芯片进行冷却;并构建三维层流流场的计算模型,采用有限体积方法进行数值模拟。结果表明:在相同换热面积下,入口速度为1 m/s时,Y形通道较之平直通道压降减少了37.67%,加热面平均温度降低了7.66℃,同时最大温差降低了6.51℃,温度更加均匀,能很好地提升电子器件的使用寿命和散热性能。相对于单层通道,双层逆流Y形微通道热沉具有更小的压降、更均匀的温度,最高温度下降了3.1℃。双层Y形仿生微通道的设计不仅提高了散热容量,而且有效降低了泵功消耗,可以为电子器件的散热设计提供参考。     

纳米流体微通道热沉的性能强化

基于对纳米流体热导率及黏度公式的筛选,本文发展了纳米流体微通道热沉的三维流固耦合模型,分析了热沉结构、纳米颗粒种类、粒径、体积分数及基液种类等关键参数对热沉性能的影响.结果表明:(1)纳米颗粒随机运动引起的附加热耗散强化了纳米流体的对流换热,显著提高了热沉的冷却性能;(2)纳米流体的强化作用依赖于热沉结构,且依赖关系不同于纯流体,需对纳米流体作为冷却剂的热沉结构进行优化;(3)颗粒体积分数增加,热沉热阻降低,但压降升高,综合考虑热阻和压降,最佳的冷却剂为0.5%体积分数的水基Al2O3纳米流体,相对于纯水,其使热阻降低了10.1%,压降仅增加0.38%;(4)颗粒粒径对热阻影响较小,考虑纳米流体稳定性,推荐使用小粒径的纳米颗粒;(5)Al2O3纳米颗粒优于TiO2,CuO最差,最优的基液为水,依次为乙二醇和机油.     

高效微射流阵列冷却热深的数值模拟

对一种用于大功率二极管激光条的微射流阵列冷却热沉进行了三维数值模拟．热沉以无氧\r 铜为材料，以水为冷却介质．通过对比3种k-ε湍流模型后，选用RNGk-ε湍流模型计算．结果表\r 明，在狭长区域内1 2列微射流阵列的流动与传热因受边界的影响强烈，与单孔和多孔多列浸没 式射流有很大的差别．热沉的性能受孔数、孔径、孔间距及排列位置和方式影响，其中，二列微射\r 流热沉比单列微射流热沉性能有明显的改善．     

热管在LD端面泵浦固体激光器散热系统中的应用

基于热管的传热原理,计算了热管的等效导热系数.采用电加热器作为模拟热负载,在实验和数值计算上比较了热管散热器和水冷方式的散热效果;在激光二极管端面泵浦固体激光器中,模拟并比较了热管散热和水流散热方式对晶体温度分布以及热透镜焦距的影响.结果表明,使用热管散热器在该系统中具有一定的散热效果,而且它可以克服水冷方式带来的水流温度波动、设备复杂庞大等缺点,为激光二极管端面泵浦固体激光器中晶体散热提供了一种解决途径.最后,提出了一种热管式热沉设计方案,利用热管的高导热性,将其做成热沉取代铜直接用于夹持晶体和散热.