高热流密度下复合型微通道散热器的性能研究

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随着微电子设备的高速发展,电子元器件的热管理面临着巨大的挑战。温度过高、温度不均匀程度过大、温度周期性变化等问题均会造成电子器件的损害。在提倡绿色节能的今天,减小功耗更是不可忽视的问题。基于此,本文提出若干新型微通道散热器方案,分别从传热效率、温度均匀性、泵功耗这三个主要方面分析了微通道散热器的性能。
  为改善现有多冲击射流微通道散热器中的射流漂移现象以实现强化传热,提出了一种同时具有侧出口、射流孔、丁胞结构的复合微通道散热器模型(MHSIJD)。利用CFD(计算流体力学)方法对稳态和非稳态下的流动和传热特性进行了数值模拟。结果发现,具有侧出口的MHSIJD可有效缓解射流漂移现象,具有更好的冷却能力和温度均匀性;同时侧出口减轻了通道内部流体压力,使得通道内流速减小,从而造成更少的压力损失。进一步研究了侧出口位置参数对MHSIJD的性能影响。结果表明,将侧出口的位置向中间整体移动半个丁胞间隔而建立的顺列模型,其传热能力与错列模型相差均小于1%。而其由于侧出口位置整体较为居中,能够较早地排出通道内的流体,因此该模型内部所产生的压降小于错列模型。这一阻力特性的改善在侧出口尺寸较小时体现地更加明显。
  冲击射流可以有效破坏边界层,增大流体内部的扰动,使得传热能力增强。然而随着与停滞点之间距离的增加,Nu数急剧减小。稳定射流中射流停滞点不随时间变化,对流场扰动影响的范围有限。因而采用振荡器作为射流发生器,利用其出口射流的摆动特性改善稳定射流对冷却区域影响不均衡的劣势。
  对具有双振荡器的自振荡微通道散热器在非稳态情况下进行了数值模拟,分析了其同一周期内不同时刻下的瞬时物理场,揭示了振荡器内部高压区域的移动变化是造成射流周期性摆动的原因。取周期平均下的参数作为评估指标,比较了其与稳定射流状态下的性能差异。结果表明:相对于稳定射流微通道散热器而言,自振荡微通道散热器以泵功耗增加为代价,可以实现相同冷却范围内传热的增强,并能够改善相关区域的温度均匀性。同时,随着Re数的增加,两种模型的散热状况均得到了改善,两者之间的靶面平均温度、最高温度、(Nu)数值均趋于接近,而两者之间压降差值逐渐增大。
  
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