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微小通道与射流相结合的高热流密度热沉结构的数值模拟

作　者: 刘明艳
导　师: 梁新刚
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 高热流密度微通道冲击射流支板冷却
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

高热流密度散热已经成为限制很多领域技术发展的瓶颈。尤其是随着电子器件微小化、激光器功率的增加,以及高速飞行器的发展,热流密度已经超过传统冷却方式的冷却能力,本文就是针对这一问题开展研究。基于微小通道和冲击射流的优良换热特性,本文首先利用FLUENT软件数值模拟研究了微小通道与冲击射流相结合的冷却方式。结果表明,微小通道和冲击射流相结合的冷却方式能大大改善热源表面温度分布的均匀性,在相同泵功及相同传热量下,当通道侧壁宽度与通道宽度之和相同时,存在最佳的通道深度及通道侧壁半宽度使换热效果最佳,并拟合出了适合该结构的传热关联式。论文进一步研究了柱肋与冲击射流相结合的冷却方式,其目的是利用柱肋对边界层的破坏作用和扰动作用,进一步提高换热性能。模拟中考虑了四种柱肋与射流的组合结构。研究结果表明相同泵功下其中两种结构的换热效果相对较好,并对这两种结构进行尺寸优化,仍然发现当柱肋宽度与通道宽度之和为常数时,存在最佳的通道深度及柱肋半宽度使得换热效果最佳,并分别拟合出了适合这两种结构的传热关联式。利用火积耗散定义的热阻评价了微小通道与冲击射流结合的冷却方式及两种柱肋与冲击射流结合的冷却方式的换热效果,比较发现,在保持肋(壁)宽、通道与肋(壁)宽的尺度之和相同时,前者在柱肋宽度较窄时优于后者,而后者在柱肋宽度较大时优于前者,且临界柱肋宽度随着泵功的增大而增大。但是在泵功相同、仅固定通道与肋(壁)宽的尺度之和时,后者具有更小的热阻。论文将微小通道的冷却方法用于超燃发动机中支板的冷却方案研究,提出4种不同的热沉结构设计,数值模拟研究了通道宽度、通道外壁面厚度等对热流密度、支板与流体温度的影响,结果表明冷却液后端进入、并绕支板表面环流的结构对驻点的换热效果优于中端进入、并在驻点对称分流的方式,并且在消耗相同泵功下,前者在四种冷却结构中具有最优的换热特性。本文的研究表明,微通道热沉具有良好的散热能力,与射流相结合能够进一步提高被冷却表面温度的均匀性,具有很大的应用潜力。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章引言  9-22
  1.1 课题背景及开展研究的意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-20
    1.2.1 微通道冷却技术  10-14
    1.2.2 冲击射流冷却方法  14-18
    1.2.3 微通道和冲击射流结合的散热技术  18-20
  1.3 本文主要研究内容  20
  1.4 本文主要研究方法  20-22
第2章理论模型与计算方法  22-30
  2.1 热沉通道的几何结构  22-23
  2.2 数值计算模型  23-26
    2.2.1 流动及传热控制方程  23-24
    2.2.2 边界条件及变物性考虑  24-25
    2.2.3 湍流模型  25-26
  2.3 求解方法  26-29
    2.3.1 壁面处理  26
    2.3.2 网格划分  26-29
    2.3.3 数值算法  29
    2.3.4 收敛判据  29
  2.4 本章小结  29-30
第3章通道冲击射流流动和传热过程模拟  30-43
  3.1 泵功对通道冲击射流流体流动换热的影响  30-34
  3.2 通道冲击射流流体换热量分布及Nu 与Re 的关系  34-36
  3.3 通道冲击射流结构尺寸对流体流动与传热的影响  36-41
    3.3.1 通道深度对流动及传热性能的影响  36-37
    3.3.2 通道侧壁半宽（厚）对流动及传热性能的影响  37-39
    3.3.3 喷嘴深度对流动及传热性能的影响  39-41
  3.4 传热关联式拟合  41-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章柱肋与冲击射流相结合的热沉流动和传热模拟  43-68
  4.1 泵功对柱肋与冲击射流相结合的热沉结构流动换热的影响  43-48
  4.2 柱肋与冲击射流相结合的热沉结构换热量分布分析  48-52
  4.3 热沉结构尺寸对流动传热的影响  52-60
    4.3.1 通道深度对流动及传热性能的影响  52-54
    4.3.2 柱肋的半宽度对流动及传热性能的影响  54-57
    4.3.3 喷嘴深度对流动及传热性能的影响  57-60
  4.4 柱肋冲击射流与通道冲击射流的比较  60-65
    4.4.1 火积耗散热阻的物理意义  60-61
    4.4.2 火积耗散定义热阻的推导  61-63
    4.4.3 基于热阻比较柱肋冲击射流与通道冲击射流换热效果  63-65
  4.5 传热关联式拟合  65-66
  4.6 本章小结  66-68
第5章超燃冲压发动机中的冷却支板散热结构研究  68-94
  5.1 支板冷却的研究意义及研究现状  68-69
  5.2 轴对称体驻点热流的计算  69-76
    5.2.1 气体的物性参数计算  69-73
    5.2.2 轴对称体驻点热流的计算  73-75
    5.2.3 轴对称体驻点热流的数值模拟  75-76
  5.3 支板外边界热流的数值模拟  76-80
    5.3.1 物理模型及边界条件  77
    5.3.2 数值模拟结果分析  77-79
    5.3.3 壁面厚度对驻点热流及温度的影响  79-80
  5.4 支板冷却结构研究  80-93
    5.4.1 数值计算模型  80-81
    5.4.2 冷却液从支板中部进入时的换热特性  81-88
    5.4.3 冷却液从后端进入的冷却效果模拟  88-93
  5.5 本章小结  93-94
第6章结论  94-96
参考文献  96-101
致谢  101-102
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  102

微小通道与射流相结合的高热流密度热沉结构的数值模拟

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