金屬泡沫傳熱性能分析與散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、隨著工業(yè)裝備技術(shù)和航空航天科技的迅猛發(fā)展，高性能工程材料的設(shè)計與制備變得更為重要。開孔金屬泡沫作為超輕多孔金屬材料的一種，因其密度小，比表面積大，骨架結(jié)構(gòu)部分熱傳導(dǎo)系數(shù)高，并具有混合通過其冷卻流體的能力，經(jīng)常被用作航空設(shè)備中的緊湊型熱交換器和大功率電子設(shè)備中的散熱裝置。因此，利用有效的宏觀等效模型，研究金屬泡沫內(nèi)部單胞微觀尺寸對其宏觀散熱性能的影響是兼具理論和工程應(yīng)用的研究課題。 如今，集成化、小型化和功率密度不斷增加是電子設(shè)備

2、發(fā)展的趨勢，然而散熱問題成為制約其發(fā)展的主要瓶頸之一。合理優(yōu)化設(shè)計電子設(shè)備的散熱裝置，改善電子設(shè)備內(nèi)部流場，從而有效的降低關(guān)鍵元器件的溫度，提高電子設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命，成為電子設(shè)備設(shè)計人員廣泛關(guān)注的課題。 在以上背景下，本文對金屬泡沫材料的傳熱性能和電子設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計進行了探討，主要內(nèi)容如下： (1)強迫對流下開孔金屬泡沫換熱性能表征的新方法：傳遞矩陣法。以開孔金屬泡沫結(jié)構(gòu)強迫對流換熱為研究背景，傳遞矩陣法以

3、簡單立方體單胞模型為基礎(chǔ)，把金屬泡沫簡化為由周期性微結(jié)構(gòu)組成的，在考慮流體溫度變化的同時，對微結(jié)構(gòu)中的熱傳導(dǎo)進行了更深一步的分析，得到了換熱器整體換熱性能與微結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系。傳遞矩陣法克服了翅片分析方法由于過分簡化帶來的誤差，計算精度有了明顯提高，所預(yù)測的結(jié)果與多孔介質(zhì)模型相近。通過與實驗的比較表明傳遞矩陣法計算結(jié)果與實驗結(jié)構(gòu)更為接近，驗證了此方法的有效性。 (2)CPU芯片散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計：為了解決CPU芯片溫度過高的問題，分

4、別采用構(gòu)形理論和拓撲優(yōu)化方法對CPU芯片上高導(dǎo)熱材料的鋪設(shè)形式進行設(shè)計，文中以高導(dǎo)熱材料用量為優(yōu)化目標，CPU許用溫度為約束條件，通過商業(yè)軟件對電子設(shè)備內(nèi)部溫度場、流場情況進行了數(shù)值模擬，計算結(jié)果表明了拓撲優(yōu)化方法所得構(gòu)形能夠更好的降低CPU芯片溫度，減少高導(dǎo)熱材料用量。 (3)Led燈具散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計：在實際應(yīng)用中某Led燈具框架散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的需求下，對燈具在工作時的溫度及周圍流場分布進行熱仿真，找出了原始設(shè)計方案中的不足，