串联通道水冷散热器的建模与优化

作     者：李学康 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：彭倍

授予年度：2013年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：串联通道散热器 热阻模型 压力损失 弯管损失系数 多目标遗传算法 

摘      要：随着电子设备朝着高功率密度和高集成度的方向发展，使得其热流密度不断地增加。因此，有效的散热技术是保证电子设备可靠性和有效运行的关键。传统的散热方式风冷，已经逐渐不能满足这种高热流密度的要求，而水冷散热器因为其高对流换热系数和高效率被广泛地研究。而水冷散热器的结构参数对于其性能有很大的影响。所以，水冷散热器的热分析、理论建模和优化，对于设计散热器和提高散热器的散热性能有非常重要的意义。 本文针对串联通道水冷散热器，建立其热阻网络模型，并分析了串联通道中的散热情况。将整个散热器划分为多个单元，然后对每个单元进行细致的热阻网络建模，再通过焓变热阻将各个单元连接起来。这样可以预测散热器的多个节点的温度，并且可以表示散热器底面的温度分布情况。同时建立了串联通道的压力损失理论模型，能够计算出总压力损失和每个通道内的压力分布情况。 为了能够精确的计算弯管造成的压力损失，本文使用仿真方法仔细分析弯管处的流动，并使用CFD仿真软件，进行大量的仿真计算得到了弯管压力损失系数的经验公式。这个经验公式在雷诺数为1000到2200的范围内适用，扩大了以前经验公式的参数范围。 通过数值仿真方法，验证了理论模型的准确性。将理论模型的散热性能和压力损失情况在不同的雷诺数和不同通道参数情况下与仿真结果进行对比，发现理论模型与仿真结果有很好的吻合度，说明理论模型能够很准确的预测串联通道水冷散热器的散热能力和压力分布情况。 最后，通过使用多目标遗传算法对串联通道水冷散热器的参数进行优化。设置散热器的总热阻和总压力损失为目标函数，以散热器的通道数、通道宽度、通道高度以及入口水流速度四个参数作为优化变量。通过迭代计算得到了最优化解集，并详细分析了每个变量对于目标函数的影响。