【正文】 9。 ] (22b) tw??? +div( ?w ?u )=?1 z???p +vdiv(grad ?w )+[xu??____39。39。39。 jiuu? 這里， ji? 實(shí)際對(duì)應(yīng) 6 個(gè)不同的 Reynolds 應(yīng)力項(xiàng)，即 3 個(gè)正應(yīng)力和 3 個(gè)切應(yīng)力。 第二章 CFD 及 FLUENT 簡(jiǎn)介 11 為了用公式描述粘性底層和對(duì)數(shù)律層內(nèi)的流動(dòng)，同時(shí)也為了建立壁面函數(shù)做準(zhǔn)備，現(xiàn)引入兩個(gè)無(wú)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(shí)均速度 ， ?u 是壁面摩擦速度 ?u =（ ?? /w ） ， w? 是壁面切應(yīng)力， Δy 是到壁面的距離。 （ 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(lái)解決。2__39。 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。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn) k ε模型的適 用性，有如下幾點(diǎn)需要引起注意 ]12[ ： ①標(biāo)準(zhǔn) k ε模型是針對(duì)湍流發(fā)展非常充分的湍流流動(dòng)來(lái)建立的，它 是一 種高 Re 數(shù)的湍流計(jì)算模型，而當(dāng) Re 數(shù)比較低時(shí)，比如，在近壁區(qū)內(nèi)的流動(dòng)，湍流發(fā)展并不充分，湍流的脈動(dòng)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(dòng)可能處于層流狀態(tài)。 RNGk ε模型可以更好的處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)。選擇熱導(dǎo)率大的材料做肋片，對(duì)強(qiáng)化傳熱有利。 本文暫定幾何尺寸如表 。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(gè)。一階迎風(fēng)格式具有穩(wěn)定性高，計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 20 肋片效率與總散熱量 （ 1） 肋片效率 衡量肋片實(shí)際散熱能力的指標(biāo)稱為肋片效率。如果這個(gè)組合有 N 個(gè)肋片，每個(gè)肋片的表面積為 fA ，主表面積為 WA ， 則總的表面積為： tA =N fA + WA （ 221） 所有肋片和主（無(wú)肋）表面總的對(duì)流傳熱速率為： tq = WWWff AAN ????? ? （ 222） 式中假定肋片表面和主表面的對(duì)流換熱系數(shù) h 是相同的， η 為單個(gè)肋片的效率。故取肋片的厚度為 4mm?？傂实亩x為 ]23[ ： bttt Aqq ??? ??m axq （ 220） 第三章 矩形肋 CPU 散熱器換熱性能數(shù)值分析 21 式中： tq 離開表面積 tA 的總傳熱速率。 Fluent 可以很好的反應(yīng)出散熱片的溫度分布特性，得到散熱片在整個(gè)散熱過(guò)程的溫度分布云圖。然后在通量上添加修正項(xiàng)，再代入連續(xù)性方程，得到關(guān)于壓強(qiáng)修正項(xiàng)的方程，再將求解得到的新的壓強(qiáng)場(chǎng)為起點(diǎn)重復(fù)上述過(guò)程，就形成交替求解壓強(qiáng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)的迭代過(guò)程，最后得到收斂解。在 Gambit 中有多種形式的體網(wǎng)格，如 Map（規(guī)則網(wǎng)格）、 Submap（子規(guī)則網(wǎng)格）、 Tet Primitive、 Cooper（庫(kù)勃）等等。 圖 散熱片形狀 工程上電器元件散熱片底板厚度最佳值是 4~10mm ]19[ 。散熱片越高，散熱片效率越低。為了彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn) k ε模型的缺陷，許多研究者提出了對(duì)標(biāo)準(zhǔn) k ε模型的修正方案，應(yīng)用比較廣泛的有 RNG k ε模型和 Realizable k ε模型。 2t /akM ? ； a 是聲速， RTa ?? 。 第二章 CFD 及 FLUENT 簡(jiǎn)介 13 SpalartAllmaras 模型 SpalartAllmaras 模型的核心思想是引入中間變量 ?v ，通過(guò)求解 ?v 的輸運(yùn)方程獲得湍流粘度 t? 。 jiuu??ijixukxuxu ???? ???????? ???????????? ??????itijjit 這里， t? 為湍動(dòng)粘度， iu 為時(shí)均速度， ij? 是“ Kronecker delta”符號(hào)（當(dāng)i = j 時(shí)， ij? = 1；當(dāng) i ≠ j 時(shí)， ij? = 0）， k 為湍動(dòng)能 ： ）（ __ 39。 在劃分網(wǎng)格時(shí)，不需要在壁面區(qū)加密，只需要把第一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)布置在對(duì)數(shù)東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 律成立的區(qū)域內(nèi)，即配置到湍流充分發(fā)展的區(qū)域，如圖 所示。由于過(guò)渡層的厚度極小，所以在工程計(jì)算中通常不明顯劃出，歸為對(duì)數(shù)律層。 jiuu? 有關(guān)的項(xiàng)，定義該項(xiàng)為 Reynolds 應(yīng)力，即 ji? =____39。39。圖 是湍流某特定點(diǎn)的實(shí)測(cè)速度隨時(shí)間變化的曲線圖。 zwv??____39。湍流時(shí) 的 均流動(dòng)的控制方程為 ： 第二章 CFD 及 FLUENT 簡(jiǎn)介 9 div?u =0 (21) tu??? +div(?u ?u )=?1 x???p +vdiv(grad?u )+[xu??____239。多數(shù)情況下，可初選速度的欠松弛因子為 ，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察迭代收斂的情況，最后選定符合特定問(wèn)題的欠松弛因子。有時(shí)，為了加快計(jì)算速度，可先在一階精度格式下計(jì)算，然后再轉(zhuǎn)到二階精度格式下計(jì)算。 出流（ outflow）邊界，用于模擬在 求解前流速和壓力未知的出口邊界，在該邊界上，用戶不需定義任何內(nèi)容，該邊界適用于出口處的流動(dòng)是完全發(fā)展的情況。分離式求解方法主要用 于不可壓縮或低馬赫數(shù)壓縮性流體的流動(dòng)。 有限體積法是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列控制體積，將待解微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分得出離散方程。 CFD 可以看作是在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程）控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。 如今在實(shí)際應(yīng)用中，常常將散熱器與整個(gè)風(fēng)扇結(jié)合在一起使用。 散熱器的散熱片通過(guò)加工形成長(zhǎng)長(zhǎng)的、矩型的散熱片 (實(shí)芯或者中間鏤空 )、正交方形散熱針柱、或者圓型、橢圓型散熱針柱?？朔@種制冷器冷量小和制冷系數(shù)低的不足，提高能效比及其經(jīng)濟(jì)性，是熱電制冷設(shè)計(jì)和使用的關(guān)鍵。 （ 5）其他冷卻技術(shù) 電子設(shè)備的微型化及特殊用途有時(shí)要求使用一些特殊的冷卻方式，其中研究較多的有熱管傳熱冷卻，熱虹吸管傳熱冷卻，毛細(xì)管抽氣環(huán) (CPL) 冷卻及熱電制冷等。直接液冷的實(shí)驗(yàn)效果可以達(dá)到 800W/c 2m 。提高這種強(qiáng)迫對(duì)流傳熱能力的方 法主要有 :①增大散熱面積 (散熱片 )；②散熱表面產(chǎn)生比較大的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù) (紊流器、噴射沖擊、靜電作用 )。比較成熟的冷卻方式主要有：自然冷卻技 術(shù)；強(qiáng)迫空冷技術(shù)；液體冷卻技術(shù)；相變冷卻技術(shù)；其他冷卻技術(shù) ]7[ 。從理論計(jì)算出發(fā)，通過(guò)散熱片的總散熱效率與總散熱量設(shè)計(jì)散熱片結(jié)構(gòu)。如 ]3[ 計(jì)算機(jī) CPU 芯片在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱流密度已達(dá)到 60~100W / 2cm , 半導(dǎo)體激光器中甚至達(dá)到 310 W / 2cm 數(shù)量級(jí)。 D under the great trend .However, it is pact internal space of the puter39。我們需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┦辜性? CPU 中的熱量及時(shí)地散發(fā)出去、降低其溫度，保證它在正常運(yùn)行的溫度范圍 內(nèi)運(yùn)行， 最高溫度不得超過(guò) 85℃ 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 08 學(xué) 院： 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 專 業(yè)： 熱能與動(dòng)力工程 題 目： 狹小空間散熱元件結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 2020 年 6 月 摘 要 I 摘 要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，中央處理器（ CPU）的運(yùn)算速度提高，芯片的發(fā)熱量猛增到 70W80W。為提高系統(tǒng)性能、增強(qiáng)其可靠性和維持 CPU 溫度在合適范圍內(nèi)，關(guān)鍵因素是應(yīng)用散熱技術(shù)。s heat soared to 70W80W. In 2020, the personal puter used by the processor speed, close to 1GHz, heat dissipation close to 50W, while the mainstream in 2020, processor speed, more than a 3GHz, heat dissipation close to 100W, and in dualcore processors doubling of R amp。 微電 子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)隨著電子計(jì)算機(jī)容量和速度的快速發(fā)展以及導(dǎo)彈、衛(wèi)星和軍用雷達(dá)對(duì)高性能模塊和大功率器件的要求 , 呈現(xiàn)兩大趨勢(shì) ]2[ : 一是追求小型化和集成化 , 二是追求高頻率和高運(yùn)算速度 , 這樣使得單位芯片的熱流密度迅速升高。 CPU 功率的不斷提升導(dǎo)致了更多熱量的產(chǎn)生，為了在有限的散熱空間內(nèi)仍能使 CPU 正常運(yùn)行，必須提高散熱片的散熱性能。 電子元器件的熱設(shè)計(jì)包括選擇合適的冷卻方式，布置冷卻劑流型、方向以及排列封裝內(nèi)的電子部件等。如果部件內(nèi)元器件之間的空間適合空氣流動(dòng)或適合安裝局部散熱器，就可盡量使用這種冷卻方法。直接液體冷卻法 (又稱浸入冷卻 )是指液體與電子元件直接接觸，由冷卻劑吸熱并將熱量帶走，它適用于熱流密度大且必須在高溫環(huán)境下工作的部件。對(duì)于某些大功率巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其芯片的冷卻也可以采用了循環(huán)效率較高的蒸汽壓縮式制 冷裝置，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是制冷量及制冷溫度范圍方面均比較寬廣，機(jī)器設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，循環(huán)效率高。它在恒溫和功率密度大的系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)還可以用來(lái)冷卻低溫超導(dǎo)電子器件。 散熱元件的應(yīng)用 采用散熱器的目的在于將元器件表面上散發(fā)的 熱量直接傳導(dǎo)出來(lái)，然后借助熱輻 射、自然對(duì)流或者強(qiáng)迫空氣冷卻，將熱量散發(fā)至周圍環(huán)境的空氣中，散熱器上的散熱片提供了能夠滿足有效熱耗散的散熱表面積 ]10[ 。這種散熱器能夠適應(yīng)于諸如 Intel 奔騰系列微信息處理芯片的使用，它通過(guò)手動(dòng)控制夾緊裝置將散熱器穩(wěn)固地附著在器件上面。其基本思想可以歸納為：把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之 間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。但有限元法求解速度較有限差分法和有限體積法慢，因此在商業(yè) CFD 軟件中應(yīng)用并不是普遍。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(guò)多輪迭代。 壓力出口（ pressureoutlet）邊界，需要在出口邊界處設(shè)置靜壓（相對(duì) 壓力），且靜壓值的設(shè)置只用于亞音速流動(dòng)，如果當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)變?yōu)槌羲?，所設(shè)置的壓力就不再被使用了，此時(shí)壓力要從內(nèi)部流動(dòng)中推斷，在這種邊界條件下，所有其他的流動(dòng)屬性都從內(nèi)部推斷。 一般來(lái)講，在一階精度格式下容易收斂，但精度較差。由于合理的欠松弛因子取決于所解決的流動(dòng)問(wèn)題本身，因此，沒(méi)有辦法找出最優(yōu)的欠松弛 因子，只能逐個(gè)算例去實(shí)驗(yàn)。 湍流及其數(shù)學(xué)描述 為了考察脈動(dòng)的影響，采用時(shí)間平均法，即把湍流運(yùn)動(dòng)看作由兩個(gè)流動(dòng)疊加而成，一是時(shí)間平均流動(dòng)，二是瞬時(shí)脈動(dòng)流動(dòng)。 yv??____239。 ] (22c) 其中 u = ?u +u′ ， u = ?u + u′， v = ?v + v′， w = ?w + w′， p = ?p + p′。w? ]+S (23) 為了便于后續(xù)分析，現(xiàn)引入張量中的指標(biāo)符號(hào)： t??? + 0)(x ??? ii u? (24) ijijijijiji Suuxxxpuuxu ????? ??????? ???? ]u[)()(t____ 39。39。 過(guò)渡層處于粘性底層的外面，其中粘性力與湍流切應(yīng)力的作用相當(dāng)，流動(dòng)狀況比較復(fù)雜，很難用一個(gè)公式或定律來(lái)描述。對(duì)于高 Re 數(shù)湍流模型，為了使模型計(jì)算能夠延伸到壁面，通常，有兩種方法為近壁面區(qū)域建模 ]13,12[ ： （ 1） 壁面函數(shù)法 基本思想是：對(duì)于湍流核心區(qū)的流動(dòng)使用 k ε模型求解，而在壁面區(qū)不進(jìn)行求解，直接使用半經(jīng)驗(yàn)公式將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)內(nèi)的求解變量聯(lián)系起來(lái)。39。 由于零方程模型在實(shí)際工程中很少使用，因此對(duì)零方程模型就不作介紹，下面重點(diǎn)介紹