浸沒(méi)射流微通道熱沉的數(shù)值模擬研究①

賀牧野

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232000)

0 引 言

隨著21世紀(jì)第四次工業(yè)革命的到來(lái)，電子芯片的體積逐漸減小，芯片上的電子元件逐漸增加，便會(huì)產(chǎn)生高的熱流密度，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，對(duì)系統(tǒng)性能造成影響，甚至損壞系統(tǒng)零件。在高熱流密度條件下，以往的冷卻方法逐漸淘汰，需要探尋更加高效的散熱技術(shù)。

Tuckerman和Pease[1]在十九世紀(jì)八十年代提出微通道的概念后，微通道冷卻技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展期。近年來(lái)，微通道冷卻技術(shù)[2-3]和射流沖擊技術(shù)[4-5]的換熱優(yōu)越性被大量學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，為微通道射流冷卻技術(shù)[6-7]成為未來(lái)高熱流密度電子元器件散熱的主要技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)換熱面增加圓形柱肋研究在不同靶距H，不同雷諾數(shù)Re的情況下對(duì)換熱面的換熱效率和換熱均勻性的影響。

1 物理模型及數(shù)值計(jì)算方法

1.1 物理模型

本文研究的熱沉模型如圖1所示。熱沉由頂部蓋板、射流孔板、射流腔、換熱腔、換熱底板以及加熱板六個(gè)部分組成。其中，頂部蓋板上的入口直徑為1mm，射流孔板采用4×5陣列射流孔，射流孔徑為d=0.5mm，列與列、行與行之間距離均為2mm。

換熱底板上圓形柱肋直徑0.5mm，高度0.5mm。有兩種排布形式，分別為順排分布與叉排分布。順排換熱底板采用4×5陣列柱肋，柱肋的列與列、行與行之間距離同樣是2mm，與射流孔一一對(duì)應(yīng)。叉排換熱底板列與列之間距離為2mm，行與行之間距離為1mm。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算采用RNGk-ε模型模擬湍流流動(dòng)，控制方程與文獻(xiàn)[6]所述一致?？刂品匠滩捎糜邢奕莘e法進(jìn)行離散，壓力-速度的耦合采用COUPLE算法，并用二階迎風(fēng)格式離散，能量方程采用 QUICK 格式迭代求解，壓力插值采用標(biāo)準(zhǔn)格式，計(jì)算過(guò)程中所有能量方程的收斂殘差均設(shè)為1×10-7。

1.3 邊界條件

熱沉入口溫度為283K，采用速度入口，速度大小隨雷諾數(shù)而改變，出口為壓力出口，出口壓力為正常大氣壓強(qiáng)。熱沉的內(nèi)部底面為固液耦合換熱面，滿(mǎn)足熱流換熱條件，除此外所有壁面均為絕熱面且無(wú)滑移。熱沉的底部加熱板提供穩(wěn)定的熱流，熱流密度為100W/cm2。

整體模型用Solidworks進(jìn)行三維建模，用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對(duì)射流孔、換熱底板及固液耦合面進(jìn)行網(wǎng)格加密。

2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

分別對(duì)順排與叉排微通道熱沉進(jìn)行了五組不同網(wǎng)格數(shù)目的計(jì)算，得到的結(jié)果如圖2所示。對(duì)于順排熱沉，五組網(wǎng)格的數(shù)目為353104，1002451，2004231，2995764以及4129720，觀察最后兩組的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)增加網(wǎng)格數(shù)對(duì)流換熱系數(shù)僅增加0.06%，所以綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，順排微通道熱沉網(wǎng)格數(shù)選取2995764。同樣對(duì)于叉排微通道熱沉選取3019632。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同柱肋排布方式換熱面溫度云圖

如圖3所示，顯示了Re=6000，靶距H=3d時(shí)，順排與叉排底部換熱面上溫度分布云圖。由溫度分布云圖可知，順排的最大溫度分布在底板中部，有明顯的溫度梯度變化。叉排底部溫度無(wú)明顯溫度梯度變化，溫度分布較為均勻，且叉排底部換熱面上溫度整體比順排底部換熱面上溫度要低。這是因?yàn)轫樑诺撞康闹吲c射流孔板上的射流孔在垂直方向上一一對(duì)應(yīng)，冷卻介質(zhì)首先沖擊在柱肋頂端，在兩行柱肋之間流向出口，遠(yuǎn)離出口的介質(zhì)在流向出口時(shí)會(huì)被靠近出口的介質(zhì)干涉阻攔，不能及時(shí)的流出，導(dǎo)致熱量積聚，從而形成高溫區(qū)域。而叉排底部的柱肋與射流孔板上的射流孔交錯(cuò)分布，遠(yuǎn)離出口的介質(zhì)在流向出口時(shí)會(huì)被交錯(cuò)的柱肋分流，弱化靠近出口的介質(zhì)的干涉阻攔作用，換熱介質(zhì)得以迅速流出，使底部換熱面溫度分布更加均勻。

3.2 不同Re對(duì)換熱效率的影響

如圖4所示，顯示了在靶距H=3d，不同Re時(shí)換熱面沿著X方向上對(duì)流換系數(shù)的分布。從圖上可知，換熱面的對(duì)流換熱系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而增加。在雷諾數(shù)較小處于2000-6000范圍內(nèi)時(shí)，增加雷諾數(shù)對(duì)提高對(duì)流換熱系數(shù)有顯著作用，但是在雷諾數(shù)超過(guò)6000后，提高雷諾數(shù)對(duì)提高對(duì)流換熱系數(shù)的作用逐漸減小。在固定雷諾數(shù)的情況下，換熱面底部距離出口較遠(yuǎn)的區(qū)域的對(duì)流換熱系數(shù)高于靠近出口的區(qū)域。

3.3 不同靶距H對(duì)換熱效率的影響

如圖5所示，顯示了在雷諾數(shù)Re=3d，不同靶距H時(shí)換熱面沿著X方向上對(duì)流換系數(shù)的分布。從圖上可知，換熱面的對(duì)流換熱系數(shù)隨著靶距的增加逐漸減小，且靶距越大，對(duì)流換熱系數(shù)減小的幅度越大。這是因?yàn)榘芯噍^小時(shí)，射流沖擊速度大，能夠快速的沖擊換熱面，帶走大量的熱量，有效降低換熱面溫度，提高換熱效率。隨著靶距的增大，射流沖擊到換熱面時(shí)速度不足，介質(zhì)流速減慢，不能迅速帶走熱量，造成熱量積聚，換熱效果較弱。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)換熱面增加圓形柱肋研究不同柱肋排布方式在不同靶距H，不同雷諾數(shù)Re的情況下對(duì)換熱面的換熱效率和換熱均勻性的影響，得到以下結(jié)論：

1.柱肋叉排的微通道熱沉底部換熱面上溫度整體比柱肋順排的微通道熱沉底部換熱面上溫度要低，且有更好的溫度分布均勻性。

2.換熱面的對(duì)流換熱系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而增加。在雷諾數(shù)較小處于2000-6000范圍內(nèi)時(shí)，增加雷諾數(shù)對(duì)提高對(duì)流換熱系數(shù)有顯著作用，但是在雷諾數(shù)超過(guò)6000后，提高雷諾數(shù)對(duì)提高對(duì)流換熱系數(shù)的作用逐漸減小。

3.換熱面的對(duì)流換熱系數(shù)隨著靶距的增加逐漸減小，且靶距越大，對(duì)流換熱系數(shù)減小的幅度越大。