复杂微通道的流动沸腾换热特性研究
发布时间：2021-07-29 21:54
微电子工业的不断发展导致芯片的发热量急剧上升,从而对散热装置的性能提出了更高的要求。微通道流动沸腾技术基于相变原理,通过液相工质发生相变带走大量热量,与其它冷却方式相比,微通道流动沸腾冷却在相同热负荷下所需质量流量小,单位空间热流密度大,结构紧凑,是当前散热领域的研究热点。微通道流动沸腾问题涉及多个学科交叉,研究者通过对平直微通道进行研究,得到了相关换热关联式与压降模型。对于复杂微通道换热装置,难以通过现有的平直通道的换热关联式与压降模型进行指导设计。本文采用VOF模型,对微通道内的沸腾换热进行研究,通过UDF模块引入相变传质模型,在平直微通道的基础上,对沸腾换热模型进行验证。选用复杂通道中常见的Z型通道作为研究对象,研究结构参数,工质流速以及热流密度对通道的换热与流动稳定性的影响。结果表明,Z型通道角度越大,换热效果越好,壁面的温度分布越均匀,但是角度的增加会导致压阻增加,两相流流动稳定性变差,压强周期性振荡的频率以及振幅都会增大。在入口速度V=0.3～0.9 m/s的范围内研究了流速对流动沸腾的影响,发现流速的增加对换热起促进作用,低流速条件下壁面液膜容易发生蒸干导致传热恶化,提高...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于硅通孔的三维芯片[3]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-1-第1章绪论1.1课题背景及研究意义随着微电子制造工业的迅猛发展，芯片的功率不断增大，集成化程度不断提高，芯片的发热量也越来越高，高性能系统的单片芯片，它的热流密度甚至会超过100W/cm2[1]，而对于正在迅速发展的三维芯片来说，它的集成化程度更高，如图1-1所示，芯片之间间隙小，热流密度可以达到250W/cm2。温度对电子器件的可靠性有着直接影响，过高的热流密度会影响器件的寿命，通常来说，当器件的温度到达70-80℃之后，温度每上升1℃，它的可靠性就会下降5%[2]。如何在狭小的空间内布置高功率的散热装置，并维持系统的安全运行，成为了散热领域中一个亟待解决的问题。图1-1基于硅通孔的三维芯片[3]利用微尺度效应的微通道散热装置，装置紧凑性好，散热功率高，可以布置在狭小的空间内，能够满足电子器件散热的需求。图1-2为用于三维芯片散热的微通道散热装置示意图，芯片采用垂直布置，换热工质能够在芯片与芯片之间流动，通过三维集成电路芯片上的硅通孔和芯片之间的间隙，将热量带出整个系统。图1-2三维芯片冷却装置示意图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-图1-3为常见冷却方式的体积功率密度对比图，图示五种冷却方式中，体积功率密度最高的是直接液冷与相变冷却。对于相变冷却来说，当液相工质到达饱和温度之后继续吸热会发生气化，由于工质的相变潜热远大于它的比热容，液相工质吸收大量热量转变为气相，气液两相混合工质的温度上升缓慢，与液冷相比具有更高的体积功率密度。图1-3常见冷却方式的体积功率密度[4]21.2国内外研究现状分析微通道流动沸腾涉及多相流传热、微尺度效应以及表面物理化学等多个领域，流动沸腾过程中工质在微通道内发生相间质量传递并表现出一系列复杂的两相流流型，进而影响流动沸腾的换热与流动稳定性。影响流动沸腾的因素很多，国内外的研究者采用实验以及数值的方法，对微通道的流动沸腾进行了研究。微通道流动沸腾的实验研究取得了大量的成果，其研究对象可以分为平直微通道与复杂微通道。研究者通过对平直通道内的流动沸腾进行研究，得到了相关换热关联式与压降模型，结合流型对传热机理进行了研究。1.2.1平直通道的流动沸腾实验研究（1）换热与压降关联式的研究研究人员对多种工质在不同结构的平直通道内的换热以及压降进行了大量研究，Warrier等[5]研究了FC-48的流动沸腾，研究了过冷和饱和核态沸腾条件下两相流动压降的相关关系，在此基础上，提出了两种新的关联式，一种用于过冷流动沸腾传热，另一种用于饱和流动沸腾传热。Lazarek等[6]测量了R-113在圆管中饱和沸腾时的局部传热系数、
【参考文献】：
期刊论文
[1]微尺度热科学及其在MEMS中的应用[J]. 王沫然,李志信. 仪表技术与传感器. 2002(07)
[2]空气中水蒸汽的扩散系数及平均自由程的测定[J]. 王建贵,杨匡宋. 物理实验. 1986(06)
硕士论文
[1]波形微通道流动沸腾换热特性的数值模拟[D]. 皇甫启捷.江苏大学 2018
本文编号：3310128
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于硅通孔的三维芯片[3]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-1-第1章绪论1.1课题背景及研究意义随着微电子制造工业的迅猛发展，芯片的功率不断增大，集成化程度不断提高，芯片的发热量也越来越高，高性能系统的单片芯片，它的热流密度甚至会超过100W/cm2[1]，而对于正在迅速发展的三维芯片来说，它的集成化程度更高，如图1-1所示，芯片之间间隙小，热流密度可以达到250W/cm2。温度对电子器件的可靠性有着直接影响，过高的热流密度会影响器件的寿命，通常来说，当器件的温度到达70-80℃之后，温度每上升1℃，它的可靠性就会下降5%[2]。如何在狭小的空间内布置高功率的散热装置，并维持系统的安全运行，成为了散热领域中一个亟待解决的问题。图1-1基于硅通孔的三维芯片[3]利用微尺度效应的微通道散热装置，装置紧凑性好，散热功率高，可以布置在狭小的空间内，能够满足电子器件散热的需求。图1-2为用于三维芯片散热的微通道散热装置示意图，芯片采用垂直布置，换热工质能够在芯片与芯片之间流动，通过三维集成电路芯片上的硅通孔和芯片之间的间隙，将热量带出整个系统。图1-2三维芯片冷却装置示意图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-图1-3为常见冷却方式的体积功率密度对比图，图示五种冷却方式中，体积功率密度最高的是直接液冷与相变冷却。对于相变冷却来说，当液相工质到达饱和温度之后继续吸热会发生气化，由于工质的相变潜热远大于它的比热容，液相工质吸收大量热量转变为气相，气液两相混合工质的温度上升缓慢，与液冷相比具有更高的体积功率密度。图1-3常见冷却方式的体积功率密度[4]21.2国内外研究现状分析微通道流动沸腾涉及多相流传热、微尺度效应以及表面物理化学等多个领域，流动沸腾过程中工质在微通道内发生相间质量传递并表现出一系列复杂的两相流流型，进而影响流动沸腾的换热与流动稳定性。影响流动沸腾的因素很多，国内外的研究者采用实验以及数值的方法，对微通道的流动沸腾进行了研究。微通道流动沸腾的实验研究取得了大量的成果，其研究对象可以分为平直微通道与复杂微通道。研究者通过对平直通道内的流动沸腾进行研究，得到了相关换热关联式与压降模型，结合流型对传热机理进行了研究。1.2.1平直通道的流动沸腾实验研究（1）换热与压降关联式的研究研究人员对多种工质在不同结构的平直通道内的换热以及压降进行了大量研究，Warrier等[5]研究了FC-48的流动沸腾，研究了过冷和饱和核态沸腾条件下两相流动压降的相关关系，在此基础上，提出了两种新的关联式，一种用于过冷流动沸腾传热，另一种用于饱和流动沸腾传热。Lazarek等[6]测量了R-113在圆管中饱和沸腾时的局部传热系数、
【参考文献】：
期刊论文
[1]微尺度热科学及其在MEMS中的应用[J]. 王沫然,李志信. 仪表技术与传感器. 2002(07)
[2]空气中水蒸汽的扩散系数及平均自由程的测定[J]. 王建贵,杨匡宋. 物理实验. 1986(06)
硕士论文
[1]波形微通道流动沸腾换热特性的数值模拟[D]. 皇甫启捷.江苏大学 2018
本文编号：3310128
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dongligc/3310128.html
