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,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)建級數(shù)為6級,其中第0級水力直徑為400微米,第6級水力直徑為100微米。隨后,搭建了一套分形樹狀微通道熱沉性能測試實驗臺,對分形樹狀微通道熱沉的流動壓降和受熱面均溫性進(jìn)行了實驗研究。實驗結(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、各級微通道壓降特性以及熱沉受熱面的溫度分布情況。通過對比分析數(shù)值模擬與實驗結(jié)果,表明溫度和壓降的模擬值與實驗測量值能較好吻合,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；在各級通道的分叉處,存在壓力恢復(fù)現(xiàn)象。
　　 同時,為體現(xiàn)分形樹狀微通道在流動換熱方面的優(yōu)越性,設(shè)計了一套具有相同受熱面積、相同對流換熱面積的蛇形微通道熱沉,數(shù)值模擬對比研究了這兩種微通道熱沉的流動和傳熱性能。對比結(jié)果表明:分形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了由點到面的分散輸運優(yōu)化和由面到點的匯集輸運優(yōu)化,導(dǎo)致流動長度大比例縮短,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