王 坤, 賀牧野, 劉廣峰

(安徽理工大學機械工程學院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

隨著科技的快速發(fā)展，人們對電子元件的要求也越來越高，大規(guī)模集成電路的應(yīng)用導致產(chǎn)生大量的熱量，如何有效的散熱成為了科技發(fā)展必須攻克的難題。多束射流冷卻技術(shù)[1]與微通道技術(shù)[2]因其具有高性能、低消費的特點越來越得到人們的關(guān)注。

本文通過將多束射流冷卻技術(shù)與微通道冷卻技術(shù)相結(jié)合[3]，研究其在不同雷諾數(shù)下的流動特性與換熱特性，并進行分析總結(jié)。

1 模型建立

1.1 物理模型

通過三維軟件建立模型，如圖1所示是射流微通道三維模型圖，上方為射流入口，側(cè)邊為出口，通道底面為加熱面，具體幾何尺寸見表1。

表1 射流微通道具體幾何尺寸

1.2 計算模型

1.2.1 湍流模型與邊界條件

選取RNGk-ε模型可以對旋流進行捕捉，出口設(shè)置為壓力出口，一個標準大氣壓，進口為速度入口，流體溫度為300K，加熱面給定熱流密度為100W/cm2，除加熱面外都絕熱。

1.2.2 數(shù)值模擬方法

對模型采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，在流固耦合出劃分邊界層網(wǎng)格，選用 SIMPLE 算法計算壓力-速度耦合方程，選用二階迎風格式，壓力插值為Standard[4]，如圖2。

1.2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

對模型進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，當網(wǎng)格數(shù)由110萬增至130萬時，換熱系數(shù)變化僅為4.6%，最終選擇網(wǎng)格數(shù)為110萬，如圖3。

2 模擬結(jié)果分析

圖4為射流微通道在Re=500～2500時的速度流線圖，如圖所示，流體從射流孔進入微通道肋，由于是單側(cè)出口，下游流體直接被高速的上游流體攜帶出去，并沒有直接與通道底面相接觸，隨著雷諾數(shù)的不斷增加，這種現(xiàn)象變得尤為明顯。流體進入通道內(nèi)后與壁面碰撞產(chǎn)生漩渦，隨著雷諾數(shù)的不斷增大通道內(nèi)流體渦旋增強，流線不斷變得密集，流速逐漸增加，換熱速率得到提升。

圖5為射流微通道在Re=500～2500時的通道平均溫度變化圖，低雷諾數(shù)時，隨著雷諾數(shù)的不斷增加，通道平均溫度減小迅速，但隨著雷諾數(shù)的持續(xù)增大，平均溫度的變化趨勢產(chǎn)生減緩，明顯低于低雷諾數(shù)時增長趨勢，雷諾數(shù)的降低了通道加熱面的平均溫度，由376 K降低至350 K，達到了20 K左右。

圖6為射流微通道在Re=500～2500時換熱系數(shù)變化關(guān)系圖，低雷諾數(shù)時換熱系數(shù)增長迅速，隨著雷諾數(shù)的不斷增大，射流微通道的換熱系數(shù)也不斷增大，但增長趨勢得到減緩，且換熱系數(shù)變化幾乎與雷諾數(shù)呈正比例關(guān)系。

3 結(jié) 論

通過將多束射流冷卻技術(shù)與微通道冷卻技術(shù)相結(jié)合，研究其在不同雷諾數(shù)下的流動特性與換熱特性，并進行分析總結(jié)，得出結(jié)論如下:

(1)伴隨著雷諾數(shù)的增大流體在微通道內(nèi)的流速加快，上游流體的裹挾現(xiàn)象加劇，微通道內(nèi)渦旋增多，換熱效果得到提升。

(2) 低雷諾數(shù)時換熱系數(shù)增長迅速，隨著雷諾數(shù)的不斷增大，射流微通道的換熱系數(shù)也不斷增大，但增長趨勢得到減緩，且換熱系數(shù)變化幾乎與雷諾數(shù)呈正比例關(guān)系。