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:123635
细通道冷却器对温度均匀性的数值研究国家自然科学基金资助项目(51136004,51176155)
内翅片管372gation of laminar mixed convection in tubes with longidutidianl internal fins[]
母玉同,陈黎,张剑飞,陶文铨
(1西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室,西安 710049)
(Tel:029-82669106 Email: ******@.;)
摘要:通过商业软件FLUENT模拟了细通道内流体流动与换热过程,进而研究了细通道基板厚度及流体流速对大功率集成芯片温度均匀性的影响。为验证模型正确性,将所用模型与已有文献进行比较,结果吻合较好。数值结果表明,采用分形分配器能改善流体流动和芯片温度分布的均匀性,冷却器基板厚度及冷却流体流速对温度均匀性影响较大。
关键词:细通道冷却器;分形分配器;温度均匀性;流动均匀性
0 引言
随着电子封装集成度的持续提高,微电子机械系统(MEMS)尺寸已由微米级进入到亚微米量级,同时,由于电子设备功率密度的迅速增加,电子芯片的工作性能、可靠性与寿命受到严重影响[1, 2]。冷却这些高功率集成芯片时,常常要控制其表面上的温度分布,譬如航天航空领域中,如果温度分布不均,会引起MEMS性能降低乃至失效,引起相关的安全问题。相比于微通道冷却器高换热能力、极高压力降的特点,细通道冷却器具有较低的压力损失,故成为微电子机械系统中重要的换热设备[3]。
目前所发表文献主要通过实验[4, 5]、数值模拟[6]及解析求解[7]对微细通道内流动传热特性进行研究。如Peng和Peterson[8]及Xie等[3]分别通过实验与数值模对微细通道相关几何参数进行了研究与优化。Abouali和Baghernezhad[9]及Liu等[10]则通过数值模拟对不同强化截面通道及翅片类型的换热特性进行了研究。
然而,上述文献都未对被冷却表面的温度均匀性进行研究。Maranzana等[11]对微细通道进行一维简化,提出无量纲参数M用以衡量轴向导热量占总换热量份额,用作温度均匀性的判据。随着Bejan[12]分形理论的提出,树形分配器逐渐受到所重视。文献[13-16]对带有分配器结构流道的流动均匀性进行了模拟研究,但均未对温度均匀性进行研究;而对某些电子器件,均匀性是重要的指标,故本文通过数值模拟对其进行研究与优化。
计算模型和数值方法
计算区域
如图1所示,图1(a)、(b)分别为带有Z形、U形分配器的冷却器;图1(c, d)分别为半圆形、平直形(β=90º)及三角形(β=30º)分配器。如图2(a)所示,计算区域由分配器、汇流器及微细通道冷却器组成。流体进入每级分配器后,沿流动方向li越长越有助于提高流动均匀性[10]。考虑到换热器的紧凑性,选取li /Di=1,Di(i=1、2、3、4)分别为10、、、。图2(b)所示为微细通道冷却器的结构示意图,芯片表面Lq×Lq产生的热流密度qw被冷却器表面L×L冷却。分配器进出口管径均为D1,