【正文】 差，設出口靜壓為一個大氣壓； （ 3） 與 CPU 接觸的散熱器底面采用固定 功率 壁面邊界條件，底面 發(fā)熱功率 為 100W，導熱系數(shù)為 393W/mK； （ 4） 通道兩外側壁設為 對稱邊界； （ 5） 流固耦合面上的邊界條件的設置按照壁面函數(shù)法來確定 ]21[ 。一階迎風格式具有穩(wěn)定性高，計算速度快的優(yōu)點。分離算法中采用壓強速度耦合算法進行計算，具體包括 SIMPLE、 SIMPLEC 和 PISO 三種。采用 Submap 方法，選取的體網(wǎng)格 的間距參數(shù)為 1， 網(wǎng)格數(shù)目為 54000個。 三維流體區(qū)域空氣采用不可壓縮模型，數(shù)值模擬時作如下假設 ]22[ ：流體物性參數(shù)為常數(shù)；空氣作層流定常流動且對稱；主要為強制對流換熱，沿肋厚方向的導熱忽略不計；出口滿足局部單向化。 本文暫定幾何尺寸如表 。散熱片形狀如圖 所示，散熱片表 面的筋板相當于肋片，其散熱相當于等截面直肋的散熱。選擇熱導率大的材料做肋片，對強化傳熱有利。散熱片間距、厚度、高度是影響散熱效果的關鍵尺寸。 RNGk ε模型可以更好的處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。原因是在標準 k ε模型中，對于 第二章 CFD 及 FLUENT 簡介 15 Reynolds 應力的各個分量，假定粘度系數(shù) tμ 是相同的，即假定 tμ 是各向同性的標量。對于標準 k ε模型的適 用性，有如下幾點需要引起注意 ]12[ ： ①標準 k ε模型是針對湍流發(fā)展非常充分的湍流流動來建立的，它 是一 種高 Re 數(shù)的湍流計算模型，而當 Re 數(shù)比較低時，比如，在近壁區(qū)內(nèi)的流動，湍流發(fā)展并不充分，湍流的脈動影響可能不如分子粘性的影響大，在更貼近壁面的底層內(nèi)，流動可能處于層流狀態(tài)。i )xu)(xu( ????? ??? (211) 湍動粘度 t? 可表示成 k 和 ε 的函數(shù)，即： ??? 2μt kC? (212) 與 k 和ε 相對應的輸運方程為： kMbkjktj)() SYGGxkxxkut k i i ????????????? ?????????? ????????? ???????（ （ 213） ? ? ε22 εb3 εk1 εjtj)() SkCGCGkCxxx utii ???????????? ?????????? ?? ??????? ????????????（ （ 214） 其中， kG 是由于平均速度梯度引起的湍動能 k 的產(chǎn)生項，由下式計算： jiijjitk xuxuxuG ?????????? ?????? ? bG 是由于浮力引起的 湍動能 k 的產(chǎn)生項，對于不可壓流體， 0b?G 對于可壓流體，由下式計算： 東北電力大學本科畢業(yè)論文 14 ittib Pr xTgG ??? ?? 式中， trP 是湍動 Prandtl 數(shù)，可取 trP =， ig 是重力加速度在第 i 方 向的分量 ,β是熱膨脹系數(shù)，可由可壓流體的狀態(tài)方程求出： T???? ??? 1 MY 代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻，對于不可壓流體， MY =0 。 SpalartAllmaras 模型是低雷諾數(shù)模型，方程 （ 29） 中的 vG 和 vY 都包含了壁面的影響，方程 （ 29）、（ 210）的適用范圍從湍流核心區(qū)自然延伸至近壁區(qū)和壁面。依據(jù)確定 t? 的微分方程數(shù)目多少，渦粘模型包括：①零方程模型；②一方程模型；③兩方程模型。2__39。 湍動粘度的提出來 源于 Boussinesq 提出的渦粘假定，該假定建立了Reynolds 應力相對于平均速度梯度的關系，即： ____39。 （ 2） 近壁面模型法 基本思想是：修正高 Re 數(shù)湍流模型，在近壁區(qū)加密網(wǎng)格，如圖 ，從而使壁面處受粘性力影響的區(qū)域也能用網(wǎng)格劃分來解決。低 Re 數(shù)湍流模型的適用范圍從 湍流核心區(qū)延伸到近壁區(qū)和壁面。 第二章 CFD 及 FLUENT 簡介 11 為了用公式描述粘性底層和對數(shù)律層內(nèi)的流動，同時也為了建立壁面函數(shù)做準備，現(xiàn)引入兩個無量綱的參數(shù) ?? y和u 分別表示速度和距離： ?uu??u （ 27） ???? ? wvyuy ????? y （ 28） 其中 u 是流體的時均速度 ， ?u 是壁面摩擦速度 ?u =（ ?? /w ） ， w? 是壁面切應力， Δy 是到壁面的距離。在近壁區(qū)，流體運動受壁面流動條件的影響比較明顯，近壁區(qū)又可分為 3 個子層，即 ● 粘性底層 ● 過渡層 ● 對數(shù)律層 粘性底層是一個緊貼固體壁面的極薄層，其中粘性力在動量、熱量及質量交換中起主導作用，湍流切應力可以忽略，所以流動幾乎是層流流動，平行于壁面的速度分量沿壁面法向方向為線性分布。 jiuu? 這里， ji? 實際對應 6 個不同的 Reynolds 應力項，即 3 個正應力和 3 個切應力?？梢钥吹?，時均流動的方程里多出與 ____39。39。39。39。 zw??____239。 ] (22b) tw??? +div( ?w ?u )=?1 z???p +vdiv(grad ?w )+[xu??____39。39。39。前兩者都是兩部算法，即一步預測，一步修正，而 PISO 增加了一步修正，包含一個預測步和兩個修正步，可以加快單個迭代布中的收斂速度。 求解壓力耦合方程組的半隱式方法 SIMPLE 算法（ SemiImplicit Method for PressureLinked Equations）是一種主要用于求解不可壓流場的數(shù)值方法，它的核心是采用“猜測 修正 ”的過程，在交錯網(wǎng)格的基礎上來計算壓力場，從而求解動量方程（ NS 方程）。過大的值可能導致解的震蕩或發(fā)散，過小的值可能導致解的收斂特別慢。如果二階精度足夠，即使采用 QUICK 格式，結果也不一定好。 FLUENT 在默認情況下，當使用分離式求解器時，所有的方程中的對流項均采用一階迎風格式離散；當使用耦合式求解器時，流動方程使用二階精度格式、其它方程使用一階迎風格式離散。 對稱（ symmetry）邊界，用于物理外形以及所期望的流動的解具有鏡像對稱特征的情況，也可以用來描述粘性流動中的零滑移壁面。在設置速度進口邊界時，邊界不能離固體障礙物過近，因為這會導致入流駐點特性具有較高的非一致性。由于控制方程是非線性的，且相互之間是耦合的，因此，在得到收斂之前要經(jīng)過多輪迭代。也就是先在網(wǎng)格上解出一個方程后，再解另外一個方程。 FLUENT 簡介 從本質上講， FLUENT 只是一個求解器。它具有很廣泛的適應性，特別適用于幾何及物理條件 比較復雜的問題，而且便于程序的標準化，對橢圓型方程問題有更好的適用性。 根據(jù)離散原理的不同， CFD 大體上可以分三個分支：有限差分法（ Finite Difference Method， FDM）、有限元法（ Finite Element Method， FEM）、有限體積法（ Finite Volume Method， FEM）。 東北電力大學本科畢業(yè)論文 6 第二章 CFD 及 FLUENT 簡介 CFD 簡介 CFD（ Computational Fluid Dynamics，即計算流體動力學）是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。 Ake Malhammar 研究了芯片表面和環(huán)境之間的溫度差、肋間距、肋片厚度、空氣來流速度等參數(shù)對散熱器的散熱量的影響 ]11[ . 綜上所述，國內(nèi)外開展的關于提升散熱片散熱性能方面的研究工作主要集中在散熱片的結構尺寸上 ,而確定散熱片結構尺寸是依據(jù)傳熱獲得的，運用 CFD第一章 緒 論 5 軟件 Fluent 對等截面直肋散熱片側送風強迫 對流換熱方式下，不同參數(shù)時的溫度場進行模擬，可以確定其傳熱效率最終得到最佳的結構尺寸。 美國加利福尼亞州的 IERC 公司推出的矩型散熱器采用了中間鏤空的散熱片，它們可以讓不定向的氣流流動。方型針柱狀散熱器在強迫空氣冷卻的情況下，會產(chǎn)生嚴重的紊流現(xiàn)象，從而會引起較大的背壓。這些成果為形狀復雜的多肋片散熱器的研究提供了很好的思路。風冷散熱是目前給 CPU散熱的主要方式。它的優(yōu)點是無噪聲和震動、體積小、結構緊湊、操作維護方便、不需要制冷劑、制冷量和制冷速度可通過 改變電流大小來調節(jié)。因此，熱管 技術已在電氣設備散熱、電子器件冷卻、半導體元件以及大規(guī)模集成電路板的散熱方面取得很多應用成果。在某些情況下，深冷技術也在電子元器件冷卻方面發(fā)揮了重要的作用，如 ETA 大型計算機就使用了深冷技術。一般所說的相變冷卻 ]5[ 主 要是指制冷劑蒸發(fā)從環(huán)境吸熱，第一章 緒 論 3 其包括兩種情況：容積沸騰 (靜止液體沸騰，又叫池沸騰 )和流動沸騰。間接液體冷卻法 ]8[ 就是液體冷卻劑不與電子元件直接接觸，而熱量經(jīng)中間媒介或系統(tǒng) (一般是液體冷板及其輔 助裝置，如液冷模塊 (LCM)、導熱模塊 (TCM)、噴射液冷模塊（ CCM）、液冷基板 (LCS)等等 )從發(fā)熱元件傳遞給液體。針對增強對流傳熱系數(shù)，喬治亞理工大學封裝研究中心所研究的微噴流技術，它是風冷技術的重大進展，能使風冷能力超過 10 W/c 2m ，專門為冷卻單芯片和多芯片組件而研制；另一個重大改進是空氣射流冷卻技術，射流冷卻時 流體沿芯片法向沖擊傳熱表面，沖擊處的速度和溫度邊界層很薄，因而具有很高的傳熱率。這種方法是一種操作簡便、收效明顯的散熱方法。自然冷卻 ]5[ 往往適用于對溫度控制要求不高、熱流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集組裝的器件不宜 (或不需要 )采用其它冷卻技術的情況下。從真空管、行波管到晶體管，從移動電話、服務器到巨型計算機，設計制造商都不得不面對其產(chǎn)品的冷卻問題，只是各個系統(tǒng)的冷卻需求不同，其熱設計難度各異 ]6[ 。對散熱片進行砂型鑄造工藝設計，并用鑄造模擬軟件 ProCAST進行模擬分析，優(yōu)化鑄造工藝并指導生產(chǎn)試驗。高效電子散熱與傳熱學 , 流體力學等原理的應用密切相關 , 其目的是對電子設備的運行溫度進行有效地控制 , 以保證其工作的穩(wěn)定性和可靠性。研究表明 ]5[ : 電子元件的溫度在正常工作溫度水平上降低1 C? , 其故障可 減少 4% 。 numerical simulation 目 錄 I 目 錄 摘 要 ....................................................................................................................... I Abstract .......................................................................................................................II 目 錄 ....................................................................................................................... I 第一章 緒 論 ................................................................................................... 1 研究背景和意義 .................................................................................... 1 電子元件散熱結構優(yōu)化研究的發(fā)展現(xiàn)狀及應用 .................................. 1 電 子元件散熱結構優(yōu)化研究的發(fā)展現(xiàn)狀 .................................... 1 散熱元件的應用 .......................................................................... 4 論文研究方案與新穎性 ........................................................................ 5 第二章 CFD 及 FLUENT 簡介 ........................................................................