双蛇形和螺旋形微通道热沉的传热与流动特性.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123103
双蛇形和螺旋形微通道热沉的传热与流动特性*基金项目:武汉市科技攻关重点项目(编号:201010721280)资助.
刘文秀1,刘浩1,万建龙1,范爱武1,李鹏2,刘伟1
(1 华中科技大学能源与动力工程学院,武汉 430074
2 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,武汉 430070)
(Tel: [phone], Email: ******@.)
摘要:对双蛇形和螺旋形微通道热沉的流动和传热特性进行了数值模拟研究,结果表明:1)由于螺旋形流道的进出口流道交替布置,其均温性要明显优于双蛇形流道。2)流道宽度的变化对双蛇形流道加热面的均温性影响不大,而在高流量下流道宽度的增加能较明显地改善螺旋形流道加热面的均温性。3)双蛇形流道比螺旋形流道有着更小的进出口压差。随着流道宽度的增加,两种流道的进出口压差都能显著减小,高流量下尤为明显。4)流道越宽,综合性能指标h/△P越高,并且双蛇形流道的综合性能指标要优于螺旋形流道。
关键词:双蛇形微通道;螺旋形微通道;均温性;压降;热-水力学综合性能
0引言
摩尔定律指出电子器件上的元件个数每年就会翻一番。集成度的迅猛提高给电子器件的散热带来了更大的挑战:一方面,器件热流密度特别高;另一方面,传热温差小,微电子器件的冷却变得非常困难。而电子器件的可靠性对温度十分敏感,在70℃-80℃水平上每增加1℃,其可靠性降低5%,因此,对器件温度的控制变得极其重要。
由于微通道具有比表面积大的特点,从而使得单位体积的换热面积大大增加,因此,发展微通道热沉技术非常适用于电子器件的冷却。微通道热沉最早由Tuckerman和Pease[1]提出,并得到微通道换热效率与水力直径成反比的结论。从那以后,国内外许多学者都对微通道流动与传热进行了研究[2-7]。例如,Upadhye和Kandlikar[8]对微通道的几何形状进行了优化分析,表明:层流时窄而深的通道比宽而浅的通道流动和换热特性好。Ryu et al. [9]基于数值模拟,通过改变通道的深度、宽度和肋片厚度对微通道热沉的热性能进行了优化,发现通道宽度是影响热性能的最重要因素。因此,本文通过数值模拟方法,主要研究流道宽度对双蛇形和螺旋形两种微通道热沉的流动、传热以及热-水力学综合性能的影响。
1 几何模型
双蛇形和螺旋形微通道的示意图如图1所示。几何模型尺寸均为14 mm×14 mm× mm,流道高度为1 mm, mm。需要指出的是,双蛇形流道只有一个入口和一个出口。

(a) (b)
图1 两种微通道的结构示意图:(a) 双蛇形,(b) 螺旋形
2 计算方法
本文中,微通道内的流道状态为层流。因此,采用三维、层流、稳态模型,应用CFD软件Fluent 。底板下表面为恒定热流面,热流密度为20 W/cm2,四周壁面和盖板上表面为绝热表面。采用水作为工质,其进口温度为20 ℃。微通道进口为速度入口,最低进口流速以加热表面的最高温度不超过60 ℃作为控制标准。固体材料选用硅,密度、比热容和导热系数分别为ρ=2330 kg/m3,Cp=703 J/kg×K,λ=149 W/m×K。
两种微通道的均温性