【正文】 受流體 粘性力的制約，流動(dòng)速度慢，雷諾數(shù)低； 3） 兩者之間的過渡區(qū)。圖中的小三角形及小空心圓代表在兩種不同 Re 數(shù)下實(shí)測(cè)得到的速度值同 Re 數(shù)下實(shí)測(cè)得到的速度值 ?u ，直線代表對(duì)速度進(jìn)行擬合后的結(jié)果。下面重點(diǎn)介紹渦粘模型。39。在模型中，表示湍流耗散率的 ε 被定義為： _____________k39。這時(shí)，必須 采用特殊的處理方法，常用的方法就是前面提到的壁面函數(shù)法和近壁面模型法。 Realizable k ε模型已被有效地用于各種不同類型的流動(dòng)模擬，包 括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流動(dòng)、管道內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)，以及帶有分離的流動(dòng)等 ]12[ 。由于 銅 具有熱導(dǎo)率大 、散熱好等 特點(diǎn)，以 銅 做肋片在 制作 CPU 上非常普遍 ]18[ 。 藍(lán)色 區(qū)域?yàn)槔鋮s空氣通道，上部空隙為肋片與蓋板的空隙，黃色部分為肋片。采用分離求解器，求解的方程為描述質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程，還有湍流方程。幾何模型 z 軸的坐標(biāo)豎直向上，z 軸方向重力加速度為 。其表達(dá)式為： )( 00 fttA ???? （ 215） 式中的 A指的是整個(gè)肋片的表面積，就是肋片與周圍流體之間的對(duì)流換熱面積。 圖 肋高 30mm 肋厚 3mm 肋間距 6mm 的散熱器 流道、出口 溫度分布云圖 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 22 圖 肋高 30mm 肋厚 4mm 肋間距 6mm 的散熱器 流道、出口 溫度分布云圖 圖 肋高 30mm 肋厚 5mm 肋間距 6mm 的散熱器 流道、出口 溫度分布云圖 由圖 ， ， 的 流道 溫度分布云圖可以看出，當(dāng)肋高和肋間距保持不變，肋厚不同時(shí)，散熱片的散熱效果不一樣。圖 （肋厚 3mm）介于二者之間。K） ； Г 肋片厚度 ， m。 邊界條件 （ 1） 氣流入口邊界條件：空氣的進(jìn)口平均風(fēng)速為 ，溫度為 20℃ ； （ 2） 氣流出口邊界條件：自由出流，與運(yùn)行環(huán)境無壓差，設(shè)出口靜壓為一個(gè)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(dǎo)熱系數(shù)為 393W/mK； （ 4） 通道兩外側(cè)壁設(shè)為 對(duì)稱邊界； （ 5） 流固耦合面上的邊界條件的設(shè)置按照壁面函數(shù)法來確定 ]21[ 。分離算法中采用壓強(qiáng)速度耦合算法進(jìn)行計(jì)算，具體包括 SIMPLE、 SIMPLEC 和 PISO 三種。 三維流體區(qū)域空氣采用不可壓縮模型，數(shù)值模擬時(shí)作如下假設(shè) ]22[ ：流體物性參數(shù)為常數(shù)；空氣作層流定常流動(dòng)且對(duì)稱；主要為強(qiáng)制對(duì)流換熱，沿肋厚方向的導(dǎo)熱忽略不計(jì)；出口滿足局部單向化。散熱片形狀如圖 所示，散熱片表 面的筋板相當(dāng)于肋片，其散熱相當(dāng)于等截面直肋的散熱。散熱片間距、厚度、高度是影響散熱效果的關(guān)鍵尺寸。原因是在標(biāo)準(zhǔn) k ε模型中，對(duì)于 第二章 CFD 及 FLUENT 簡介 15 Reynolds 應(yīng)力的各個(gè)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(biāo)量。i )xu)(xu( ????? ??? (211) 湍動(dòng)粘度 t? 可表示成 k 和 ε 的函數(shù)，即： ??? 2μt kC? (212) 與 k 和ε 相對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)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(dòng)能 k 的產(chǎn)生項(xiàng)，由下式計(jì)算： jiijjitk xuxuxuG ?????????? ?????? ? bG 是由于浮力引起的 湍動(dòng)能 k 的產(chǎn)生項(xiàng)，對(duì)于不可壓流體， 0b?G 對(duì)于可壓流體，由下式計(jì)算： 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 14 ittib Pr xTgG ??? ?? 式中， trP 是湍動(dòng) 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(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，對(duì)于不可壓流體， MY =0 。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。 湍動(dòng)粘度的提出來 源于 Boussinesq 提出的渦粘假定，該假定建立了Reynolds 應(yīng)力相對(duì)于平均速度梯度的關(guān)系，即： ____39。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。在近壁區(qū)，流體運(yùn)動(dòng)受壁面流動(dòng)條件的影響比較明顯，近壁區(qū)又可分為 3 個(gè)子層，即 ● 粘性底層 ● 過渡層 ● 對(duì)數(shù)律層 粘性底層是一個(gè)緊貼固體壁面的極薄層，其中粘性力在動(dòng)量、熱量及質(zhì)量交換中起主導(dǎo)作用，湍流切應(yīng)力可以忽略，所以流動(dòng)幾乎是層流流動(dòng)，平行于壁面的速度分量沿壁面法向方向?yàn)榫€性分布?？梢钥吹?，時(shí)均流動(dòng)的方程里多出與 ____39。39。 zw??____239。39。前兩者都是兩部算法，即一步預(yù)測(cè)，一步修正，而 PISO 增加了一步修正，包含一個(gè)預(yù)測(cè)步和兩個(gè)修正步，可以加快單個(gè)迭代布中的收斂速度。過大的值可能導(dǎo)致解的震蕩或發(fā)散，過小的值可能導(dǎo)致解的收斂特別慢。 FLUENT 在默認(rèn)情況下，當(dāng)使用分離式求解器時(shí)，所有的方程中的對(duì)流項(xiàng)均采用一階迎風(fēng)格式離散；當(dāng)使用耦合式求解器時(shí)，流動(dòng)方程使用二階精度格式、其它方程使用一階迎風(fēng)格式離散。在設(shè)置速度進(jìn)口邊界時(shí)，邊界不能離固體障礙物過近，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致入流駐點(diǎn)特性具有較高的非一致性。也就是先在網(wǎng)格上解出一個(gè)方程后，再解另外一個(gè)方程。它具有很廣泛的適應(yīng)性，特別適用于幾何及物理?xiàng)l件 比較復(fù)雜的問題，而且便于程序的標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)橢圓型方程問題有更好的適用性。 東北電力大學(xué)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。 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(dòng)。這些成果為形狀復(fù)雜的多肋片散熱器的研究提供了很好的思路。它的優(yōu)點(diǎn)是無噪聲和震動(dòng)、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、操作維護(hù)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(diào)節(jié)。在某些情況下，深冷技術(shù)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(jì)算機(jī)就使用了深冷技術(shù)。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(dǎo)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。這種方法是一種操作簡便、收效明顯的散熱方法。從真空管、行波管到晶體管，從移動(dòng)電話、服務(wù)器到巨型計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)制造商都不得不面對(duì)其產(chǎn)品的冷卻問題，只是各個(gè)系統(tǒng)的冷卻需求不同，其熱設(shè)計(jì)難度各異 ]6[ 。高效電子散熱與傳熱學(xué) , 流體力學(xué)等原理的應(yīng)用密切相關(guān) , 其目的是對(duì)電子設(shè)備的運(yùn)行溫度進(jìn)行有效地控制 , 以保證其工作的穩(wěn)定性和可靠性。 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(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 .................................. 1 電 子元件散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的發(fā)展現(xiàn)狀 .................................... 1 散熱元件的應(yīng)用 .......................................................................... 4 論文研究方案與新穎性 ........................................................................ 5 第二章 CFD 及 FLUENT 簡介 .................................................................................. 6 CFD 簡介 ..................................................................................................... 6 FLUENT 簡介 ............................................................................................... 6 湍流及其數(shù)學(xué)描述 .................................................................................... 8 湍流模型介紹 .......................................................................................... 10 SpalartAllmaras 模型 .................................................................. 13 標(biāo)準(zhǔn) k ε湍流模型 ...................................................................... 13 修正 k ε湍流模型 ...................................................................... 15 第三章 矩形肋 CPU 散熱器換熱性能數(shù)值分析 ................................................. 16 模型及幾何參數(shù) ...................................................................................... 16 Gambit 建模過程 ..................................................................................... 18 求解器的選擇 .......................................................................................... 19 操作環(huán)境的確定 ...................................................................................... 19 邊界條件 ................................