空气射流冲击下柱鳍热沉散热特性实验研究

电子系统微型化、大功率的发展趋势,以及对系统性能和可靠性的需求,要求电子元件具有更为强大的散热性能.空气射流冲击,尤其与其他表面强化传热方式的结合是一个很好的选择,采用这种散热方式几乎能达到与液体冷却相当的散热能力.选用3个不同肋高的矩形柱鳍热沉对空气射流冲击矩形柱鳍热沉进行传热特性的实验研究.首先,分别获得了这3个热沉的热阻(θab)随Re数及H/D变化的实验数据和对应这3个热沉的模拟芯片表面的平均努塞尔数(Nu)随Re数及H/D变化的实验数据;其次,选用合适的函数形式对实验数据采用最小二乘法拟合,得到了此实验条件下关于Re、H/D及肋片高度Hf的准数方程.实验结果表明,随Re或H/D的增大而减小,但当Re或H/D增大到一定程度时,θab减小的幅度就不再明显;Nu数关于Re、H/D及肋片高度Hf的实验公式,其相对误差小于9%;在3159≤Re≤15798的范围内,这种冷却方式下的对流换热系数可达500～1100W/(m·2K).     

轴流风扇冲击射流下泡沫铝热沉的换热特性

针对电子元器件的冷却问题,实验研究了孔隙率为0.92、孔密度不同的3种通孔泡沫铝热沉在轴流风扇冲击射流下的换热特性.测量了表征热沉整体换热性能的热阻、表面温差等参数,并与传统翅片式热沉的相应结果进行了比较分析.结果表明:泡沫铝热沉能使加热模块表面温度的分布明显变得均匀,更有利于延长电子元器件的使用寿命,而且泡沫铝热沉可在保持整体换热性能与翅片式热沉相当的条件下,使散热装置的体积和质量均减少约50%.此外,结果也显示出泡沫铝热沉在电子元器件冷却应用上有进一步优化的潜质.     

空气射流冷却圆锥热沉的传热特性分析

采用数值模拟的方法,选择Transition SST湍流模型求解Navier-Stokes方程,研究了空气单孔射流冷却不同夹角圆锥体热沉的传热特性,结合流动特点分析了不同位置的传热差异.结果表明:引入圆锥凸起,极大强化了驻点附近的传热效果;小夹角圆锥热沉的平均换热性能比平板热沉好,且夹角越小,传热强化效果越好.在圆锥底部边缘,先后出现流动分离和二次射流,导致传热被先削弱后增强.     

高效微射流阵列冷却热沉的数值模拟

对一种用于大功率二极管激光条的微射流阵列冷却热沉进行了三维数值模拟.热沉以无氧铜为材料,以水为冷却介质.通过对比3种κ-ε湍流模型后,选用RNG k-ε湍流模型计算.结果表明,在狭长区域内1-2列微射流阵列的流动与传热因受边界的影响强烈,与单孔和多孔多列浸没式射流有很大的差别.热沉的性能受孔数、孔径、孔间距及排列位置和方式影响,其中,二列微射流热沉比单列微射流热沉性能有明显的改善.     

基于CFD的单股冲击射流的数值模拟

运用PHOENICS计算软件,选取标准双方程模型及优选的紊流模型系数,采用有限体积法对轴对称紊流射流流场进行数值计算。计算结果表明,射流轴心速度是逐渐衰减的。选取平面紊动冲击射流问题为研究对象,通过对冲击射流内各区域流动特性的分析,给出了圆形冲击射流冲击区的范围,从喷嘴出口条件入手导出了壁面射流区中壁面切应力和径向速度的沿程分布关系式,该式反映了壁面射流场对初始条件的依赖。     

可压缩轴对称冲击射流流场的数值模拟

数值模拟一种可压缩轴对称冲击射流。所构造的数值模拟方法是:直接求解柱坐标系下的二维可压缩Navier-Stokes方程的差分离散方程,其中对流项采用基于非等距网格上的五阶精度迎风紧致型差分格式,黏性项采用基于非等距网格上的六阶精度对称紧致型差分格式,时间项采用3步三阶精度Runge-Kutta方法。模拟不同雷诺数、马赫数条件下冲击射流大尺度涡结构的演化过程。结果表明:流体从喷嘴射出后卷起形成一个独立的大尺度负涡,即初生漩涡,它会在壁面处逐渐激发出一个具有正涡量的壁面二次生成涡;初生漩涡和二次生成涡互相旋转挤压,壁面二次生成涡的力量很快占优势,带动初生漩涡向流场内部发展;随马赫数的增大,初生漩涡具有更强的力量,抑制了壁面二次生成涡和其他小尺度负涡的发展;随雷诺数的增大,初生漩涡的力量有所减弱,促进了壁面二次生成涡和其他小尺度负涡的发展。     

机舱通风口冲击射流湍流特征分析及验证

以机舱个性化通风口为背景,对自由射流加壁面冲击射流,采用几种湍流模型数值分析了10倍冲击高度、雷诺数为9,000的气流遇到冲击板后湍流脉动、流动转折等流动特征.探讨了湍流模型对冲击射流关键位置平均速度、脉动速度以及雷诺应力等流动参数特征的模拟能力,通过与实验测量结果的对比,确定了湍流模型在冲击射流中的适用性和局限性.综合来看,Relizable k-ε模型可以得到与实验值较好的符合度,但在近壁面区域会略有偏差.分析结果认为将RANS和LES组合将是开展实际机舱内通风口射流研究的最佳策略.     

高效微射流阵列冷却热深的数值模拟

对一种用于大功率二极管激光条的微射流阵列冷却热沉进行了三维数值模拟．热沉以无氧\r 铜为材料，以水为冷却介质．通过对比3种k-ε湍流模型后，选用RNGk-ε湍流模型计算．结果表\r 明，在狭长区域内1 2列微射流阵列的流动与传热因受边界的影响强烈，与单孔和多孔多列浸没 式射流有很大的差别．热沉的性能受孔数、孔径、孔间距及排列位置和方式影响，其中，二列微射\r 流热沉比单列微射流热沉性能有明显的改善．     

组合式射流冲击冷却壁面稳态传热特性仿真分析

射流冲击是一种具有较高的局部换热效率的换热方式,具有重要的工程应用价值.以流体仿真软件Fluent为工具,设计了多个喷嘴组合式的射流冲击冷却模型,研究了组合式射流垂直和倾斜冲击壁面时的稳态传热过程,讨论了喷嘴倾角和间距对壁面传热特性的影响.发现随着斜喷嘴倾角增大,组合式射流的壁面平均努塞尔数先逐渐增大然后减小;组合式射流继承了单束直射流和斜射流的优点,在保证滞止区传热效率较高的同时,有效地提高了射流下游的传热效率并使壁温分布更加均匀;当斜喷嘴靠近直喷嘴时,组合式射流整体传热特性与单束斜射流相似;当沿横向和纵向增大斜喷嘴与直喷嘴间距时,壁面平均努塞尔数均增大.     

Y形冲击射流微混合器流场结构和分割强度的数值模拟

运用三维变密度不可压计算流体力学方法对微型Y形冲击射流进行流动结构研究.结果表明:入射角度和入射速度是影响流场结构和混合效果的两个重要因素.通过对流场结构的分析、混合效应的定性和定量分析以及对流场中分割强度的研究发现,入射角度和入射速度越大,分割强度越小,混合效果就越好.     

微肋阵通道沸腾起始点实验研究

以去离子水为工质,在质量流速G=292.8~412.2 kg/(m²·s),入口温度T_in=50.6~81.5 °C,热流密度q"=10.1~87.1 W/cm²的条件下,对圆形、菱形和椭圆形微肋阵通道内沸腾起始点特性进行了实验研究。对微肋阵通道内单相对流传热和两相沸腾传热过程的分析结果表明,壁温和压降曲线的变化趋势均可作为沸腾起始点的判定依据。通过分析各实验参数对沸腾起始点热流密度的影响趋势,发现微肋阵通道内沸腾起始点热流密度随质量流速的增大而增大,但是随着入口温度的增大而减小;在相同工况条件下,圆形、菱形和椭圆形微肋阵通道沸腾起始点热流密度依次减小。     

长菱形微针肋热沉的流动与换热特性

加工硅基长菱形微针肋热沉,并对其流动与换热性能进行试验研究和数值模拟。结果表明:在试验雷诺数Re范围内,长菱形针肋的换热系数随Re的增大而增大。雷诺数相同时,热流密度对换热系数的影响较小。热阻随泵功的增加不断降低;在泵功较小时,热阻降低的速度较快;当泵功增大到一定值时,热阻的变化趋于平缓。在一定的泵功下不同热流密度之间的总热阻没有太大的区别。努塞尔数Nu随Re增大而增大。与同样尺寸圆形、菱形针肋相比,长菱形针肋具有较好的换热性能,可以避免针肋尾部涡脱落造成的阻力损耗,同时长菱形针肋尾部延伸拓展了换热面积并扩大了固体导热区,从而提高换热效果。     

狭缝射流冲击柱状凸形表面流动换热特性

采用数值方法研究了狭缝射流冲击柱状凸形表面的流动换热特性,通过四种湍流模型计算结果与实验数据对比,确定了湍流模型适用性.以压力梯度分布为依据,重点分析了狭缝射流沿柱状凸形表面的流动结构和边界层分离特点及柱状凸形表面的强化换热特性.结果表明:RNG k--ε和Realizable k--ε模型具有预测适应性;狭缝射流冲击至柱状凸形表面,气体沿表面运动,速度降低,并在流动下游发生边界层分离;量纲一的逆压梯度随量纲一的曲率半径(D/B)的减小而增大,使得边界层分离更早出现;驻点区域换热Nu随量纲一的曲率半径(D/B)的减小而获得增强,但流动进入下游后,D/B对换热基本无影响;压力梯度是影响狭缝射流冲击柱状凸形表面换热分布的重要因素.     

倾角对湍流狭缝冲击射流流动与传热性能的影响

为了研究倾斜冲击射流的流场结构和传热性能,采用SIMPLE算法和RNGk-ε湍流模型,对三种入射角度下的狭缝湍流冲击射流进行了数值模拟。结果表明,由于射流的卷吸以及上封闭板的作用,在流场两侧的流出区域分别形成了一个环形的回流区。当射流倾角减小时,左侧回流区的范围变小,而右侧的回流区增大。流场中的低温区以及冲击表面压力系数最大值和局部Nu最大值的位置也都随着倾角的减小而向流场的左侧偏移。当倾角减小时,冲击表面压力系数最大值降低,局部Nu最大值没有明显的变化,射流与冲击面之间的平均传热率降低。     

倾斜波纹翅片振荡流热管的三维数值模拟研究

对平板翅片和倾角分别为15°、30°、45°的波纹翅片振荡流热管的流体流动和传热过程进行了数值模拟研究,得到了流体的温度和速度分布,并将其进行比较分析。模拟结果表明波纹翅片振荡流热管的传热效果随着倾角的增大而增强,但同时也增大了压力损失。模拟结果对振荡流热管换热器的强化传热研究有一定的指导意义。     

近室温下圆翅热管翅片结构的遗传算法优化

阐明了采用热管作为空调系统的热回收装置具有巨大的节能意义.分析了近室温下的圆翅热管传热模型.以单位温差、单位换热量下的热管翅片体积最小为目标函数,建立了热管翅片高度、间距、厚度等结构参数的函数关系式.利用遗传算法对目标函数进行了优化,计算结果表明了遗传算法的有效性.     

矩形直肋热质传递时传热特性的数值分析

为研究矩形肋片的传热传质性能,考虑汽化潜热随温度变化,引用Hyland的温湿度关系函数建立肋片表面传热方程,此时的传热方程无法获得解析解。以传热方程为基础建立传热差分方程,并采用超松弛迭代法对肋片表面温度分布进行求解,同时计算获得肋片传热效率。结果表明：湿度增大,肋片底部和端部温差也越大,绝热边界下肋片温度分布整体高于自然对流边界;汽化潜热的增加使得实际传热量增大,肋片效率的计算结果高于已有研究结果;肋片参数增大时,无量纲化临界点位置越向肋底部靠近,肋片效率减小;环境湿度增大,无量纲化临界点位置向肋片端部靠近,肋片效率变小,湿度对半湿换热工况的肋片效率影响显著,全湿换热工况下,湿度越大,对肋片效率变化的影响越小。     

特厚钢板阵列射流淬火的表面换热

采用特厚钢板专用辊式射流淬火试验装置和多通道钢板温度记录仪,测试出射流速度3.39~26.8 m·s-1、雷诺数12808~117340、水流密度978.7~6751.5 L·(m2·min)-1条件下,84 mm厚钢板淬火冷却曲线;进而基于反传热修正方法计算高温钢板淬火过程壁面温度和热流密度,描绘出沸腾曲线,分析多束圆孔阵列射流对特厚钢板淬火表面换热的影响.结果表明:射流速度、水流密度等参数影响钢板表面射流滞止区和平行流区换热机制,进而影响最大热流密度分布.射流速度较低时,壁面平行流区观察到混合换热和"热流密度肩"现象;随射流速度增大,膜沸腾换热机制消失,最大热流密度移至较低壁面过热度处.相关研究将对特厚钢板淬火过程温度场计算和组织性能调控提供有益的帮助.