高热流密度电子器件相变冷却结构优化与特性模拟

论文摘要

解决小空间高热流密度电子元器件的散热要求,确保其工作温度在正常范围内,是国内外散热研究的新热点。传统的单相流散热方式已不能满足高热流密度的要求。相变冷却利用汽化潜热能有效迅速的吸收热量,达到冷却的目的。同时,套管式相变冷却系统结构简单,体积小,是解决所研究的小空间内大功率激光晶体的有效散热手段。根据晶体工作的外部空间环境以及换热要求选择了合适的冷却方式及冷却结构-套管式相变冷却;在进行模拟之前利用matlab对材料物性进行曲线拟合,得出材料物性的关于温度T的函数表达式;对冷却器内部流动换热过程建立了计算数理模型,利用FLUENT流固耦合模型及多相流混合物模型,沸腾换热面换热用自定义程序处理。叙述了重要的边界条件和重要设置在FLUENT软件中的操作步骤。数值模拟了套管式相变换热器内部的汽化传热过程,计算了在相同质量流量下,不同的内管管径din（0.002m、0.003m、0.004m）及进口流速u,晶体内表面的温度变化;同时计算了内管管径为0.003m时不同液氮进口速度u（1.5m/s～2.1m/s范围内不等间距的流速）、不同沸腾强化传热面凹槽结构、采用低温水工质冷却、由常温25℃预冷至2种温度下晶体温度达到稳定的时间及晶体与铜热沉接触表面的温度分布。分析了过冷度、无因次量h/d及挡板对整个系统换热过程的影响。研究结果表明,套管式相变冷却系统可有效解决激光晶体高热流密度的散热要求,在喷距一定时,小射流管径冲击换热系数优于大管径。充液量在1.75～1.84m/s范围时能将其表面最高温度控制在263～283K以内,得出在一定程度上增加沸腾传热面上的凹槽或凸点,液氮汽化率越大的结论,晶体在被预冷至260K265K情况下分别需要0.3881s.39s即可达到温度稳定状态。分析模拟计算结果,与国内外学者的研究成果做比较,其变化趋势与理论及已有相关成果一致。最后对冷却系统提出了结构优化策略、新的冷却方式及冷量回收利用的展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究和发展现状
• 1.3 研究内容及目的
• 2 工质和材料的热物性及其数值处理
• 2.1 液氮的物性概述
• 2.2 液氮的相变冷却
• 2.3 液氮的热物性参数及拟合
• 2.4 相变冷却器材料物性数值计算
• 2.5 小结
• 3 套管式射流冲击沸腾传热冷却器的传热分析与模拟条件
• 3.1 模拟软件的选取
• 3.2 FLUENT 中多相流模型的选择
• 3.3 FLUENT 中湍流模型的选择
• 3.4 计算物理模型
• 3.5 边界条件与物性的设置
• 3.6 相变UDF 的编写
• 3.7 计算过程的设置
• 3.8 小结
• 4 结构优化与特性模拟结果分析
• 4.1 相同质量流量下内管管径对晶体内表面温度分布的影响
• 4.2 不同射流速度对晶体内表面温度分布的影响
• 4.3 强化传热表面对气化率及出口液氮分布的影响
• 4.4 低温水冷却时晶体内表面的温度分布
• 4.5 不同预冷温度下晶体温度达到稳定的时间
• 4.6 过冷度、喷距及挡板对沸腾传热的影响
• 4.7 小结
• 5 总结与展望
• 5.1 主要研究结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 在读期间发表的论文