自相似结构微通道传热分析及结构优化
随着大型集成芯片等电子设备的释热率不断升高,普通的微通道热沉(MHS)已很难满足其散热需求.自相似微通道热沉(SSHS)作为一种新的换热结构设计,与一般的微通道热沉(MHS)相比,具有更好的综合性能和应用前景,但SSHS内部依然存在一定的流量分配和换热不均等缺陷.为克服SSHS自身的缺陷,提高其工作性能,本文将原有的入口分流通道改为渐缩式设计,以缓解SSHS原型设计中流量分配不均的缺陷;同时,利用数值方法在分析各结构参数影响基础上进行优化设计.鉴于SSHS内每个换热单元结构均相同,选择了一个完整的换热单元进行模拟分析和参数优化,计算单元包含10个溢流通道、半个入口分流通道与半个出流通道.换热工质为水,单元的流量范围为0.27~0.90 kg/h,工作压力为常压,盖板热负荷为1 MW/m2,计算模型为层流模型( 范围Re 150~500).数值分析结果表明:对于原型设计,入口分流通道末端存在较强烈的滞止效应,直接导致各溢流通道之间流量分配不均,溢流通道间的流量分配相差9.5~12.9倍,且流量分配不均直接导致换热不均,盖板外壁面的温差达到了10.8~12.1 ℃.通过将分流通道改为渐缩式斜坡结构,可以一定程度上消除滞止效应的影响.经过优化对比分析发现,随着斜坡角度的增加,流量分配的均匀性和换热均匀性均得到进一步提高,但同时也导致流动阻力有一定的增加.综合考虑后,确定斜坡角度为4.3°时,可在计算参数范围内使优化结构获得最佳的综合性能.虽然导致系统压降最大增加12%左右,但使流量分配从最大相差12.9倍降至仅相差2.7倍,平均换热均匀性提高了50%以上.改进和优化后的设计可为SSHS的推广应用提供参考和借鉴.
微通道、热沉、散热、电子设备、自相似结构、优化
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TB131(工程基础科学)
国家自然科学基金资助项目51376052,51606130,51506099
2018-02-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）
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