阵列式多孔微射流热沉结构优化及传热特性研究.pdf
《阵列式多孔微射流热沉结构优化及传热特性研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《阵列式多孔微射流热沉结构优化及传热特性研究.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、陶瓷含報Vol.44,No.3第4 4 卷,第3 期2023年6 月D0I:10.13957/ki.tcxb.2023.03.020Journalof CeramicsJun.2023阵列式多孔微射流热沉结构优化及传热特性研究钟鸣1,占园根,孙健,李杰1(1.景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院,江西景德镇3 3 3 4 0 3;2.景德镇陶瓷大学信息工程学院,江西景德镇3 3 3 4 0 3)摘要:为解决陶瓷封装芯片温度过高导致失效问题,以一种矩阵式多孔微射流热沉为基础,构建了几种不同结构的热沉几何物理模型及传热和流动数学模型,并对其传热和流动特性进行了数值模拟研究。为了改善被冷却表面温度均匀性
2、、提高热沉的冷却效果,对热沉的进、出气结构进行了优化,对比分析了分别加装圆柱、棱柱肋片时的传热效果。结果显示:相比于圆形回流的基础结构,侧面进气结构散热能力提升了2.7%;两层进气结构提升了5.4%,但两层进气结构会导致压损剧增;环形回流结构提升了8.6%。增加肋片结构可以大幅提高热沉换热效果,且棱柱肋片结构提升了15.3%,明显优于圆柱肋片结构的12.2%;适当增加肋片高度可以增强热沉换热能力。关键词:多孔微射流;结构优化;强化传热;数值模拟中图分类号:TQ174.6*53文献标志码:A文章编号:10 0 0-2 2 7 8(2 0 2 3)0 3-0 58 1-0 9Structure O
3、ptimization and Heat Transfer Characteristics of MultipleHoles Array Microjet Heat SinkZHONG Ming,ZHAN Yuangen,SUN Jian,LI Jie(1.School of Materials Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic University,Jingdezhen 333403,Jiangxi,China;2.Schoolof Information and Engineering,Jingdezhen Ceramic Univers
4、ity,Jingdezhen 333403,Jiangxi,China)Abstract:In order to solve the problem of ceramic packaging chip failure caused by too high temperature,based on a multiplehole micro jet heat sink structure,several geometric physical models and heat transfer and flow mathematical models of heatsinks with differe
5、nt structures were constructed,while their heat transfer and flow characteristics were numerically simulated.In order to improve the temperature uniformity of the cooled surface and improve the heat transfer and cooling effect of theheat sink,the inlet and outlet structures of the heat sink were opt
6、imized,while the heat transfer effects were compared andanalyzed when the cylindrical and prismatic fins were installed.The heat dissipation capacity of the side inlet structure isincreased by 2.7%,as compared with that of the circular return structure.The two-layer intake structure increased by 5.4
7、%,butthe two-layer intake structure led to a sharp increase in pressure loss.The annular reflux structure is increased by 8.6%.Heattransfer efficiency of the heat sink can be greatly improved by including fin structure.The prismatic fin structure exhibited anincrease of 15.3%,which is obviously high
8、er than that(12.2%)of cylindrical fin structure.It is therefore concluded that heattransfer capacity of heat sink can be enhanced by increasing the fin height properly.Key words:porous micro fluidic;structure optimization;strengthening heat transfer;the numerical simulation0引言近年来,在国家政策激励及市场需求的拉动收稿日期
9、:2 0 2 2-11-17。修订日期:2 0 2 3-0 2-14。基金项目:江西省自然科学基金(2 0 2 0 2 BAB204022);江西省教育厅科技项目(GJJ211346)。通信联系人:孙健(19 7 3-),男,博士,教授。下,我国的芯片产业发展迅猛。与此同时,高度集成化、微型化的芯片必然导致其工作温度大幅升高,这对于陶瓷封装芯片提出了更高的要求2 。超Received date:2022-11-17.Revised date:2023-02-14.Correspondent author:SUN Jian(1973-),Male,Ph.D.,Professor.E-mail:陶
10、瓷台報2023年6 月582过50%的芯片失效是由于芯片温度过高3 。且在器件焊料老化情况下,芯片表面存在的温度梯度会降低其使用寿命4 。由此可见,为保障陶瓷封装芯片正常运行,有必要加装散热器。目前,国内外学者针对芯片射流散热器已经进行了大量研究,研究方向包括散热器的回流孔结构、冲击高度、射流孔排布和肋片结构等。Rhee等5 通过数值模拟的方法,对有无回流孔两种结构在不同冲击高度下传热效果进行了分析,结果显示,在较小冲击高度下,有回流孔结构的传热效果更好。回流结构的存在,降低了射流过程中横向流的干扰。张永恒等6 通过实验研究了冲击高度对单个圆形射流孔射流换热的影响,随着冲击高度增加,中心区局部
11、努塞尔数减小,但影响范围增大。刑改兰等7 通过实验的方法,研究了冲击高度和雷诺数对刀片式多排密集圆孔射流结构换热效果的影响,使用该结构可以大幅提升其换热能力。Hoberg等8 对比了三种不同冲击高度与射流孔直径比例的阵列射流模型后,发现增大冲击高度会降低换热效率,增加射流孔直径会增强换热效果。石千磊等9 通过数值模拟的方法对正方形、正六边形和菱形三种出、人口喷嘴排布形状的换热性能进行了研究,发现最优结构为正方形排布。徐亮等10 提出一种类螺纹结构的旋转射流通道,通过数值计算方法研究了螺旋角度对传热特性的影响,结果表明,该结构会加强靶面沿气流逃逸方向的冷却效果,削弱其他区域的冷却效果。梁海渊等
12、通过数值模拟的方法分析射流孔和针肋顺排、叉排、圆形排布以及直肋错排组合散热器结构的性能,发现圆形排布射流孔与针肋错排组合下的散热器效果最好。Smith12设计了一种三层射流冷却系统,冲击射流从上层进人底层,冲击加热面,废液通过渗出孔从中间层排除,模拟研究表明,该结构相比于传统冲击冷却方案,表面平均换热系数提高了7 5%。朱泽辉等13 通过数值计算的方法对单股冲击射流下模型的选择进行了研究,对低雷诺数k-8模型和标准k-8模型及雷诺应力模型进行对比,结果显示,低雷诺数k-8模型的效果更优。以往研究结构优化的方向多集中在射流孔排布、冲击高度和肋片排布等,对进气结构及肋片高度的优化较少。本文在上述研
13、究的基础上,设计了一种矩阵式多孔微射流热沉结构,通过数值模拟方法研究其传热特性并对其进行结构优化。1基础模型1.1物理模型本文以一种矩阵式多孔微射流热沉结构为基础结构,以下称其为圆形回流结构。其几何结构如图1所示,图1(a)为圆形回流热沉结构3/4 模型,该结构可分为三部分,分别为上气室、下气室以及中间连接部分。冷却工质空气从流体入口进人上气室,通过射流孔从中间连接管道进人下气室,待冷空气冲击受热面后,通过回流孔从流体出口排出。其中,流体人口直径D=9.5mm,口高度Lz1=4.0mm,热沉长度L,=27.0mm,宽度L,=27.0mm,上气室高度Lz2=9.0mm,中间连接管道高度Lz3=8
14、.0mm,流体出口高度Lz4=1.75mm,下气室高度Lzs=27.0mm,忽略壁厚。图1(b)显示了射流孔与回流孔的相对位置关系,其中,射流孔和回流孔的直径d=1.0mm,且相邻孔间距均为 4 mm。(a)Lower plenum图1圆形回流热沉结构几何示意图:(a)圆形回流热沉结构3/4 模型;(b)射流孔、回流孔位置关系Fig.1 Geometric diagram of circular reflux heat sink structure:(a)3/4 model of circular reflux heat sink structure andFluid inletLFluido
15、utletL24LL5Heating surface(b)position relationship between jet hole and return hole(b)Upper plenumJetholeLRefluxorifice3.50ORefluxorificeOR11.503.50R104.00Jet hole4.001.50第4 4 卷第3 期1.2数学模型考虑到在实际运行过程中物性参数受温度影响,为保证数值模型顺利运行,对热沉内流体流动及传热过程作出以下假设:(1)计算域内空气流动和换热过程是稳定的;(2)认为流体空气为不可压缩牛顿流体;(3)所有材料均常物性、无内热源;(4
16、)环境散热、热辐射和自然对流换热在整个热沉系统忽略不计。笛卡尔直角坐标系下三维定常不可压流流动控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程。连续性方程:2Mi=0P动量方程:Px;能量方程:aTuPax;式中:i、j=1、2、3,分别表示坐标轴X、Y、Z方向;T为温度;p为流体密度;u为运动黏度;入为导热系数;c,为比定压热容。2数值模拟2.1网格划分采用控制体积法将控制方程离散化,用ICEM软件绘制网格。图2(a)为计算模型整体模型网格主视图,采用六面体结构化网格。射流冲击局部边界层较薄,为使计算结果更为准确,对冲击本冷却表面在z轴方向的网格划分进行加密处理,如图2(b)所示。图2(c)为射流
17、及回流通道局部图,对通道流固耦合区域进行网格加密。2.2模型设置及边界条件Realizablek-湍流模型能模拟射流撞击、分离流、二次流、旋流等复杂流动,能更好地模拟圆孔射流问题。因此,选择 Realizable K-湍流模型。在求解中,以空气为工质,散热器设置为铝材质,其物性参数如表1所示。Texture of materialDensity/(kg:m-3)AirIncompressible-ideal-gasAluminum2719钟鸣等:阵列式多孔微射流热沉结构优化及传热特性研究(1)(2)x;xTx;2x;583人口边界条件设置为速度人口,速度范围为10ms-115m s-l,人口空
18、气温度为3 0 0 K,出口边界条件为压力出口。内部壁面均设置为绝热壁面,被冷却面设置为加热壁面条件,并设置热流密度为2 8 4 6 0 Wm,虚拟厚度为4 mm。Adx;(3)表1物性参数表Tab.1 Physical parametersCP(Specific Heat)/(Jkg-l.K-l)B图2 圆形回流热沉网格划分图Fig.2 Grid division diagram of circular reflux heat sink压力修正选用 SIMPLIC 算法进行压力和速度的耦合,压力项差分方法采用SecondOrder方法。动量项、湍动能项、湍流耗散项、能量项先用一阶格式计算收敛
19、后换成二阶格式。能量残差收敛极限设置为1.0 10-,其他均设置为1.0 10-3,当所有项都满足时认为计算收敛。2.3网格无关性验证为了节约计算成本的同时能兼顾计算精度,对射流雷诺数Rea=1997.57下的模型进行网格无关性验证,评判标准为被冷却面平均温度。如表2 所示,随着网格数的增加,被冷却面平均温度变化越来越小。当网格数为3 8 4 7 8 6 7 个时,相对误差不超过0.05%。综合考虑计算成本和精度,将被冷却面平均温度的误差不超过0.2%作为满足网格无关性的标准。因此,最终选取网格数为3 8 4 7 8 6 7 的方案。Thermal Conductivity/(W.m-l.K-
20、l)1006.43871.000.0242202.4000陶瓷報2023年6 月4.00 584Tab.2 Grid independence verificationNumberof gridscooled surface/K1981207344.882503084345.123024295345.353847867345.495318160345.543结构优化3.1改变进气结构如图3(a)所示,在基础模型的基础上,将上气室用孔板分隔成两个部分,目的在于使上气室(a)Fluid inletLDFluidoutletL24Lower plenum图3 改变进气结构几何示意图:(a)两层进气热
21、沉结构3/4 模型;(b)侧面进气热沉结构1/2 模型Fig.3 Schematic diagram of changing intake structure geometry:(a)3/4 model of two-layer inlet heat sink structure and(a)3.50Upper plenum4.30L2Jet holeFluid outletLLRefluxorifice25LowerplenumHeatingsurface图4 环形回流热沉结构几何示意图:(a)环形回流热沉结构3/4 模型;(b)回流孔与射流孔位置关系Fig.4 Geometric diag
22、ram of annular reflux heat sink structure:(a)3/4 model of annular reflux heat sink structure and表2 网格无关性验证Average temperature of theL门Heating surfaceFluid inletLD(b)position relationship between return hole and jet hole的压力均匀分布,从而使气体通过射流孔后的流速更加均匀。其中,Lz21=4 mm、L z 2 2=5mm,均压孔直径与射流孔相等。图 3(b)将基础模型的流体入口改
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 阵列 多孔 射流 结构 优化 传热 特性 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。