电子器件风冷散热系统的流动与传热性能研究

论文摘要

近年来随着电子技术的迅猛发展，电子设备的高性能、微型化、集成化程度越来越高，芯片功率越来越大。风冷散热系统因其制造成本低、安装操作简单、使用方便、散热效率高、运行可靠，在电子器件散热中具有广泛的应用。本文以台式电脑的风冷散热系统为研究对象，针对电子器件风冷散热系统有限空间的结构特点，建立轴流风扇和散热器的一体化模型，研究轴流风扇与散热器的流场和温度场的匹配方法，探索流场匹配与散热优化的关联机制。研究了风冷散热系统用轴流风扇的内流特性及出口流场特征，得出的主要结论指出，低背压下风扇整个叶道均可以获得较好的流动模式，风扇出口的有效面积最大，风扇中部区域的流量较大；随背压增加，叶根和叶中都会出现流动分离，叶顶区域的二次涡作用增强，风扇出口有效面积减小，风扇出口中径以内的区域出现回流；轴流风扇出口流动非单纯旋转射流，出流呈径向扩散趋势。低背压下，风扇出口扩散现象较弱，出口射流角与出口背压近似成正比，背压增加使得出口射流角增加。建立了轴流风扇和散热器的一体化模型，探索了轴流风扇与散热器的流场匹配与散热优化的关联机制。研究结果指出，流动最优不等于换热最优，散热系统的总体换热性能由风扇、散热器联合工作时的整体流场和散热器本身的换热特性这两个因素决定；合理将散热器翅片倾斜一定角度，可以减弱散热器的入口冲击；翅片厚度增加会引起阻塞流道，翅片减薄又会导致导热热阻增加；翅片倾斜角度和翅片厚度的最优值由流场和换热面积共同作用决定；轴向适当抬高散热器外缘翅片，可提高冷却气流的利用率。探讨了波浪形翅片和表面开凹槽翅片在CPU风冷散热系统用散热器中的强化换热机制。研究结果指出，合理的翅片表面处理方式（波浪形或凹槽），可以促进翅片表面的局部气流扰动，强化翅片表面的换热。本文研究受中央高校基本科研业务费专项资金资助（No.2011QN156）。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 芯片冷却技术
• 1.3 风冷散热技术
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 2 风冷散热系统用轴流风扇流动特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 计算模型
• 2.3 计算网格
• 2.4 数值计算方法及边界条件
• 2.5 风扇计算性能
• 2.6 风扇内流特性分析
• 2.7 风扇出口流场分析
• 2.8 主要结论
• 2.9 本章小结
• 3 基于一体化模型的流场与温度场的匹配研究
• 3.1 引言
• 3.2 物理模型
• 3.3 计算网格
• 3.4 数值计算方法和边界条件
• 3.5 基本流动模式
• 3.6 翅片最优倾斜角度的确定
• 3.7 翅片最优厚度的确定
• 3.8 泄漏冷却气流的利用
• 3.9 风扇转速的影响
• 3.10 主要结论
• 3.11 本章小结
• 4 风冷散热系统用散热器结构优化研究
• 4.1 引言
• 4.2 波浪形翅片散热器性能分析
• 4.3 表面开凹槽翅片散热器的性能分析
• 4.4 主要结论
• 4.5 本章小结
• 5 全文总结及展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文