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工学硕士学位论文

复杂条件下通道内自然对流换热的
数值模拟

硕士研究生:王涵
导师:谈和平教授
申请学位:工学硕士
学科:动力工程及工程热物理
所在单位:能源科学与工程学院
答辩日期:2010 年 7 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: TK124
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Dissertation for the Master Degree in Engineering

NUMERICAL SIMULATION OF THE NATURAL
CONVECTION IN CHANNELS PLEX
CONDITIONS

Candidate:
Wang Han
Supervisor: Prof. Tan He Ping
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Engineering Thermophysics
Affiliation: School of Energy Science&
Engineering
Date of Defence:
July, 2010
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
近年来,随着计算机技术的发展,电子器件密集度越来越高、结构越来越复杂。
由于自然对流具有低能耗、低噪音、高稳定性等特点在电子器件冷却中占据显著优势。
因此,研究复杂电子器件通道模型的自然对流换热特性、掌握各种因素下通道内最大
温度与换热系数预测方法,对电子器件的热设计具有重要意义。
本文以电子器件热控设计为应用背景,开展了不同条件和结构对通道内换热的影
响。利用 CFD 软件 FLUENT 对带有凸出离散热源的二维单通道和封闭腔内多通道的自
然对流与导热耦合换热特性进行了数值模拟分析。主要研究内容包括:
(1) 建立了典型单通道的对流换热计算模型,包括几何建模、网格划分与边界条件的确
定。计算比较了通道高宽比、倾角、热源间距、位置和尺寸、脉动热源对通道耦合换
热的影响。
(2) 通过对周期性单通道的对流换热模拟计算,分析了考虑气体物性变化时对通道换热
的影响,并且修正了通道内最大温度与格拉晓夫数 Gr 的幂指数关系式。
(3) 针对左右两壁等温冷却,上下壁绝热的封闭腔内双通道的自然对流过程进行模拟计
算,分析了低气压、大重力加速度、绕流块、通道位置等因素的影响。同时研究了通
道之间的相互作用,分析了最佳的热源放置位置。并且引入辐射的影响,分析通道间
距、PCB 板的导热等因素对封闭腔内多通道辐射作用的影响,比较了考虑辐射和未考
虑辐射时通道内的温差。

通过研究,为电子器件冷却的整体耦合热分析与热可靠性设计提供了必要的特征
参数和计算依据。

关键词:自然对流;耦合换热;凸出热源;二维通道

-I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
In recent years, as the development of puter technology, more intensive and
plex electronic packaging are required, while natural convection has evident
advantage in other cooling ways benefited from its low power, low noise and high stability.
Therefore, carrying on the researches on the natural convective heat transfer characteristics
of electronic devices channel plex considerations and the prediction method of
maximum temperature and heat transfer coefficient under a variety o