【文章內(nèi)容簡介】 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。 IBM 公司曾研制出采用浸漬式池狀沸騰冷卻方案的液體封裝組件 (LEM)，它的換熱系數(shù)可高達 1700～ 5700W/（ 2m K ） 。然而，對于相變冷卻的應用，還有一些技術問題尚待解決，特別是流動沸騰。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。對于某些大功率巨型計算機系統(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)點是制冷量及制冷溫度范圍方面均比較寬廣，機器設備結構緊湊，循環(huán)效率高。 （ 5）其他冷卻技術 電子設備的微型化及特殊用途有時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，毛細管抽氣環(huán) (CPL) 冷卻及熱電制冷等。 1）熱管冷卻 熱管技術具有極高的導熱性、優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向的可逆性、環(huán)境的適應性等優(yōu)良特點，可以滿足電子電器設備對散熱裝置緊湊、可靠、控制靈活、高散熱效率、不需要維修等要求 ]9[ 。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。 隨著高熱流密度散熱冷卻要求的提出，熱管式冷板得到大家的廣泛關注和重視，其應用基礎研究目前集中在它的性能試驗與數(shù)值模擬分析方面，但總的說來這方面的研究文獻還很少，這方面工作最為突出的是 和 等人針對一種平板熱管及變化結構進行了詳細的理論分析和試驗研究，通過試驗表明它能夠適應 10～ 150 W/cm2 高熱流密度的工況，進一步通過數(shù)值模擬建立了平 板熱管的啟動和關閉時的數(shù)學模型，分析求解了平板熱管的啟動和關閉的瞬態(tài)溫度場分布性能，發(fā)現(xiàn)熱流密度大小、壁面、毛細芯厚度和熱輸入形式是影響熱管穩(wěn)定工作時間的主要因素。國內(nèi)研究人員也對平板熱管進行了研究和試驗，李菊香的研究得出熱管式均熱平板在厚度方向上布置的圓孔通道孔徑和孔間距越小，工作表面上的最大溫差就越小。 2）熱電制冷 熱電制冷 ]5[ 是建立在帕爾貼效應基礎上的一種電制冷方法。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(diào)節(jié)。它在恒溫和功率密度大的系統(tǒng)中得到了廣泛應用，同時還可以用來冷卻低溫超導電子器件?？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)濟性，是熱電制冷設計和使用的關鍵。 通過對以上散熱方式的比較可以得知，風冷散熱是現(xiàn)在最為常見且使用率最東北電力大學本科畢業(yè)論文 4 高也是最成熟的方法的一種散熱方式，這種散熱方式簡單、直接、性能可靠、技術成熟、成本最低，可以解決我們通常的散熱需要，因而被普遍使用。風冷散熱是目前給 CPU散熱的主要方式。采用風扇和 散熱器組 件的空氣強迫對流冷卻方式被廣泛使用，這個領域內(nèi)已有相當多的研究成果 ，對于 CPU散熱器的研究更多的是關注散熱片間空氣的流動特性和結構尺寸對散熱性能的影響。很多學者對散熱肋片的傳熱狀況進行了理論研究。他們從等截面直肋入手，分析了等截面直肋的溫度分布、肋表面的散熱量及其肋片效率。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。 散熱元件的應用 采用散熱器的目的在于將元器件表面上散發(fā)的 熱量直接傳導出來，然后借助熱輻 射、自然對流或者強迫空氣冷卻，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[ 。 散熱器的散熱片通過加工形成長長的、矩型的散熱片 (實芯或者中間鏤空 )、正交方形散熱針柱、或者圓型、橢圓型散熱針柱。后面三種“針柱狀散熱器”設計，可以允許氣流從任意方向通過散熱器。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。為了能夠滿足自然對流冷卻，長長的矩形散熱片散熱器必須從散熱片的垂直方向進行安裝，以確保受熱氣流能夠順暢地流動。 目前美國麻薩諸塞州的 Wake field Engineering 公司推出的一系列散熱器，能夠滿足功率器件 (諸如 :TO220 和 TO218)等單個元器件的冷卻。它們一般的應用范圍包括電源、調(diào)壓器和馬達控制，所用的器件耗能為 510w，這些器件能夠通過螺釘緊固件或者彈簧夾子與散熱器相互聯(lián)接。 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。這種散熱器能夠適應于諸如 Intel 奔騰系列微信息處理芯片的使用，它通過手動控制夾緊裝置將散熱器穩(wěn)固地附著在器件上面。 如今在實際應用中，常常將散熱器與整個風扇結合在一起使用。美國羅得艾蘭州的 Chip Coolers公司推出的低輪廓散熱系統(tǒng) .整個高度不 89mm()，為 T 能夠達到在筆記本電腦中對 CPU進行冷卻設計的目的，這個散熱組件可夾緊在 CPU 上，這里預先采用了作為熱接觸材料的簿 膜。 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。 論文研究方案與 新穎性 運用 CFD 軟件 Fluent 分別 對等截面直肋 和三角肋 散熱器側送風強迫對流換熱方式下，不同肋厚、肋高、肋間距的溫度場進行模擬，獲得三種參數(shù)對散熱器散熱能力的影響規(guī)律和最佳參數(shù)。最終得到散熱器最佳尺寸 以及最佳肋片形狀 ，驗證計算結果與模擬結果 的一致性。 本文的新穎性在于不僅僅對等截面直肋不同肋高肋厚肋間距的模型模擬溫度流場，還增加了三角肋片的模型，采用與直肋 相同 參數(shù)的模型進行溫度流場模擬 ，通過兩種不 同形狀肋片溫度云圖的比較，選出最佳尺寸、最佳形狀的肋片設計方案，增加了方案的理論性與真實性。 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。其基本思想可以歸納為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之 間關系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。 CFD 可以看作是在流動基本方程（質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程）控制下對流動的數(shù)值模擬。通過這種數(shù)值模擬，可以得到極其復雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度等）的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況。 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）。 有限差分法是應用最早、最經(jīng)典的 CFD 方法，它將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個網(wǎng)格節(jié)點代替連續(xù)的求解域，然后將偏微分方程的導數(shù)用差商代替，推導出含有離散點上有限個未知數(shù)的差分方程組。求差分方程組的解，就是求微分方程定解問題的數(shù)值近似解，它是一種直接將微分問題變?yōu)榇鷶?shù)問題的近似數(shù)值解法。 有限元法吸收了有限差分法中離散處理的內(nèi)核，又采用了變分計算中選擇逼近函數(shù)并對區(qū)域進行積分的合理方法，是這兩類方法相互結合、取長補短發(fā)展的結果。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。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 軟件中應用并不是普遍。 有限體積法是將計算區(qū)域劃分為一系列控制體積，將待解微分方程對每一個控制體積積分得出離散方程。該方法的關鍵是在導出離散方程過程中，需要對界面上的被求函數(shù)本身及其導數(shù)的分布做出某種形式的假設，用該方法導出的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數(shù)物理意義明確，計算量相對小，計算效率高，在目前 CFD 領域中得到了廣泛應用。 FLUENT 簡介 從本質上講， FLUENT 只是一個求解器。 FLUENT 本身提供的主要功能包括導入網(wǎng)格模型、提供計算的物理模型、施加邊界條件和材料特性、求解和后第二章 CFD 及 FLUENT 簡介 7 處理。 GAMBIT 可生成供 FLUENT 直接使用的網(wǎng)格模型。 ● 求解器 ①分離式求解器（ segregated solver） 分離式求解器是順序地、逐一地求解各方程（關于 u、 v、 w 、 p 和 T 的方程）。也就是先在網(wǎng)格上解出一個方程后，再解另外一個方程。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。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。 ②耦合式求解器（ coupled solver） 耦合式求解器是同時求解連續(xù)方程、動量方程、能量方程及組分輸運方程的耦合方程組，然后，再逐一地求解湍流等標量方程。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。對于高速可壓流動，或需要考慮體積力（浮力或離心力）的流動，求解問題時網(wǎng)格要比較密，應采用耦合隱式求解方法求解能量和動量方程，可以較快的收斂，但需要的內(nèi)存較大。 ● 邊界條件 FLUENT 提供的邊界類型有十種，四大類，下面簡要介紹 常用的邊界條件。 速度進口（ velocityinlet）邊界，用于定義流動進口處的流動速度和其他標量型流動變量，只用于不可壓流。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。 壓力出口（ pressureoutlet）邊界，需要在出口邊界處設置靜壓（相對 壓力），且靜壓值的設置只用于亞音速流動，如果當?shù)亓鲃幼優(yōu)槌羲伲O置的壓力就不再被使用了，此時壓力要從內(nèi)部流動中推斷，在這種邊界條件下，所有其他的流動屬性都從內(nèi)部推斷。 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是完全發(fā)展的情況。 壁面（ wall）邊界，用于限定 fluid 和 solid 區(qū)域，在粘性流動中，壁面處默認為無滑移邊界條件，但用戶可以根據(jù)壁面邊界區(qū)域的平移或轉動來指定一個切向速度分量，或者通過指定剪切來模擬一個“滑移”壁面。 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。在對稱邊界上，不需要定義任何邊界條件，但必須定義對稱邊界的位置。 ● 離散格式與欠松弛因子 常見的離散格式有：中心差分、一階迎風、二階迎風、混合格式、指數(shù)格式、乘方格式、 QUICK 格式。 東北電力大學本科畢業(yè)論文 8 控制方程中的擴散項一般采用中心差分格式離散，而對流項則可以采用多種不同的格式進行離散。 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。 一般來講，在一階精度格式下容易收斂，但精度較差。有時，為了加快計算速度，可先在一階精度格式下計算，然后再轉到二階精度格式下計算。 QUICK 格式具有三階精度，應用廣泛，但主要應用于六面體或四邊形網(wǎng)格。如果二階精度足夠，即使采用 QUICK 格式，結果也不一定好。 因為在壓力修正方程中略去了部分項，因此，計算過程的收斂速度受到一定影響，如果略去的項過多，有可能導致迭代過程發(fā)散。為了加快收斂速度，采用了欠松弛技術，從而引入了欠松弛因子。選擇一個比較準確的欠松弛因子，對流動計算的效率有著至關重要的影響。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。由于合理的欠松弛因子取決于所解決的流動問題本身，因此，沒有辦法找出最優(yōu)的欠松弛 因子，只能逐個算例去實驗。多數(shù)情況下，可初選速度的欠松弛因子為 ，然后進行實驗觀察迭代收斂的情況，最后選定符合特定問題的欠松弛因子。 ● 壓力 — 速度耦合方程的解法 FLUENT 提供了四種壓力 — 速度耦合方程的解法，分別為： SIMPLE、SIMPLEC、 PISO、 Coupled。 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）。 SIMPLEC（ SIMPLE Consistent），意為協(xié)調(diào)一致的 SIMPLE 算法，它與 SIMPLE 算法的計算步驟相同，只是沒有像 SIMPLE 算法那樣略去了速