关键词:
换热器
努塞尔数
流动传热
应力
疲劳寿命
摘要:
伴随着芯片尺寸的缩小和功耗密度的增加,其发热问题亟待解决。如何通过热设计保证电子芯片的可靠运行,成为了一个不可忽视的要点。因此本文设计了一种交错双P型微通道换热器,并通过数值计算和实验研究的方法分析了换热器的换热性能和机械性能。具体研究工作如下:
首先,提出了三种不同结构的散热器,即传统直通道设计、增强设计和交错双P型设计,并建立了相应的数值仿真模型,将三种换热器的换热性能进行对比研究。发现,在传统直通道设计中,采用交错进出口排布,具有更好的换热性能;与传统直通道设计相比,增强设计的最高温度可降低41.71%;与增强设计相比,交错双P型设计的最高温度可降低6.99 K,交错双P型设计的最小温差为9.65 K,低于10 K。采用工程优化方法,对交错双P型微通道换热器中V型二次分流流道倾角β与阶梯型汇流流道倾角α进行了优化分析。结果表明,交错双P型微通道换热器的换热性能随倾角β的减小而降低,随倾角α的减小而降低;当倾角β=30°且α=90°时,交错双P型微通道换热器的换热效果最优。
其次,将交错双P型微通道换热器的换热性能与前人研究中的环形微通道换热器的换热性能相比,在相同条件下,交错双P型微通道换热器的努塞尔数是环形微通道换热器的1.66倍,证明了交错双P型微通道换热器具有良好的换热性能。在此基础上,采用综合评价因子评估了交错双P型微通道换热器的换热性能。结果表明,当倾角β<45°且倾角α<150°时,综合评价因子>1,变现出了优异的换热性能。采用实验方法对交错双P型微通道换热器的换热性能进行研究,验证了数值计算结果的正确性。结果显示,压降的实验数据与仿真数据的最大相对误差为9.05%,验证了数值计算结果的正确性。
最后,在不同热边界条件下对换热器进行了流-热-固耦合分析,对换热器的换热性能、结构强度与疲劳寿命进行研究。对比分析了在均匀单热源应用、非均匀多热源应用和均匀多热源应用,换热器的最大温度、温差和努塞尔数。数据显示平均努塞尔数的相对误差不足3%,证明了SDP具有稳定的热管理性能。采用热-固耦合方法,研究了不同应用中换热器的变形和应力分布。换热器工作时的最大应力为91.057 MPa,小于许用应力,满足强度使用要求;换热器的最小安全因数为1.689,大于材料的许用安全因数,故疲劳强度满足使用要求;当换热器的工作环境温度大于289 K而小于345 K时,换热器的疲劳寿命循环可达10~8以上;以工作环境温度313 K为中心,温度不断向两边升高或者降低,换热器的等效交变应力不断增大,疲劳循环寿命不断缩短。