两种新型微通道散热器结构优化及传热特性的数值研究

作     者：孙文骏 

作者单位：桂林理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹卫华

授予年度：2021年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 080701[工学-工程热物理] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：微通道散热器 结构优化 强化传热 数值模拟 

摘      要：随着当前电子元器件朝着尺寸小型化、功能集成化、高热流密度化方向的发展,传统等截面微通道散热器已逐渐无法满足其高散热需求。在此背景下,微通道散热器的强化传热问题日益突出。本文从局部微结构设计和整体结构设计两个方面入手,采用数值模拟的方法对矩形微通道散热器开展了流道结构的设计与优化,建立了两种新型微通道散热器模型,旨在通过增强流体扰动和打断热边界层来强化散热器的传热性能。主要研究内容及结论如下:（1）在局部微结构设计方面,将矩形凹穴引入流道侧壁,建立了一种凹穴型微通道散热器模型,采用数值模拟的方法对其流动与传热特性进行研究,通过分析凹穴宽度、深度、间距和排列方式对综合性能的影响,完成凹穴结构的参数优化。结果表明:低雷诺数下,矩形凹穴的引入并不会提升散热器的传热性能,甚至出现恶化现象,随着雷诺数的增大,散热器传热性能增强,但压降也随之提高;适中的凹穴宽度、较小的凹穴深度、较小的凹穴间距和对称排列方式的结构设计更有利于提高散热器的传热性能。在本文研究范围内,当凹穴宽度为0.7mm、深度为0.04mm、间距为0.3mm和对称排列时,凹穴型微通道散热器强化传热效果最优,其综合性能相较于矩形微通道散热器最大提升了约10.4%;对于优化后的凹穴型微通道散热器,当雷诺数大于534时,其综合性能逐渐高于矩形微通道散热器,并且随着雷诺数的增大,综合性能提升越明显。（2）在整体结构设计方面,将矩形微通道散热器的肋片周期性截断并减小高度,建立了一种开放式间断微通道散热器模型,数值研究了其内在的流动与传热特性,并与矩形微通道散热器对比。同时探究了不同肋片高度下散热器内的流体流动与传热性能,以确定肋片的最佳配置。结果表明:相较于矩形微通道散热器,开放式间断微通道散热器以更小的压降为代价获得了更高的热性能;肋片尾部形成的横向回流区和肋片间断处形成的纵向回流区促使散热器内流体流动边界层一直处于破坏与重建的交替状态,使得传热性能得到大幅度提升;开放式间断微通道散热器的传热性能随着肋片高度的增加先增大后减小,当肋片高度为0.8mm时,传热性能最优,其努塞尔数相较于矩形微通道散热器最大提升了约156%。