分形樹狀結(jié)構(gòu)微通道熱沉研制及其傳熱特性研究.pdf

1、近年來,隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,電子設(shè)備的集成化程度越來越高,其單位面積散熱功率隨之成倍增加,且對(duì)工作溫度的均勻性也提出了更高的要求。盡管微通道換熱器在單位面積換熱功率指標(biāo)上表現(xiàn)出了優(yōu)良的工作性能,較好地滿足了換熱能力要求,但是通道尺度的急劇縮小也導(dǎo)致了泵功指標(biāo)和溫度均勻性指標(biāo)的惡化,故為保證電子設(shè)備安全工作,迫切需求換熱性能更強(qiáng),均溫性更優(yōu)的新型高效熱沉裝置,分形結(jié)構(gòu)微通道熱沉則為解決上述問題提供了一個(gè)良好途徑。
　　 本文

2、借助仿生學(xué)原理開展了微通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),基于MEMS工藝研制了一套硅基三明治結(jié)構(gòu)的分形樹狀微通道熱沉,分形結(jié)構(gòu)微通道構(gòu)建級(jí)數(shù)為6級(jí),其中第0級(jí)水力直徑為400微米,第6級(jí)水力直徑為100微米。隨后,搭建了一套分形樹狀微通道熱沉性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)分形樹狀微通道熱沉的流動(dòng)壓降和受熱面均溫性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在恒加熱功率情況下,流體進(jìn)出口溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于受熱面的最大溫差,并且,受熱面溫度隨著入口Re數(shù)的增加而降低,其均溫性也得到了增強(qiáng)

3、。
　　 本文還建立了分形樹狀微通道熱沉內(nèi)流動(dòng)和傳熱的三維穩(wěn)態(tài)理論模型并進(jìn)行了數(shù)值求解。模型考慮了微通道固體壁面與流體界面的耦合傳熱。分析討論了微通道分叉處的速度分布、各級(jí)微通道壓降特性以及熱沉受熱面的溫度分布情況。通過對(duì)比分析數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,表明溫度和壓降的模擬值與實(shí)驗(yàn)測量值能較好吻合,證明了本文所建立的分形樹狀微通道熱沉流動(dòng)換熱的理論模型是合理的。研究結(jié)果表明,分形樹狀微通道分叉處產(chǎn)生的二次流促進(jìn)了流道中近壁面高溫流體與

4、中間層低溫流體的相互混合,能有效強(qiáng)化換熱；在各級(jí)通道的分叉處,存在壓力恢復(fù)現(xiàn)象。
　　 同時(shí),為體現(xiàn)分形樹狀微通道在流動(dòng)換熱方面的優(yōu)越性,設(shè)計(jì)了一套具有相同受熱面積、相同對(duì)流換熱面積的蛇形微通道熱沉,數(shù)值模擬對(duì)比研究了這兩種微通道熱沉的流動(dòng)和傳熱性能。對(duì)比結(jié)果表明:分形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)到面的分散輸運(yùn)優(yōu)化和由面到點(diǎn)的匯集輸運(yùn)優(yōu)化,導(dǎo)致流動(dòng)長度大比例縮短,有效抵消了分叉及尺度縮小所導(dǎo)致的壓損增加,使得分形樹狀結(jié)構(gòu)在總壓降方面與蛇形微通