自相似结构微通道传热分析及结构优化

作者：王喆; 孙立成; 刘洪涛; 谢果; 唐继国; 鲍静静

来源：工程科学与技术, 2018, 50(01): 101-106.

DOI：10.15961/j.jsuese.201700295

• 微通道
• 热沉
• 散热
• 电子设备
• 自相似结构
• 优化

随着大型集成芯片等电子设备的释热率不断升高,普通的微通道热沉(MHS)已很难满足其散热需求。自相似微通道热沉(SSHS)作为一种新的换热结构设计,与一般的微通道热沉(MHS)相比,具有更好的综合性能和应用前景,但SSHS内部依然存在一定的流量分配和换热不均等缺陷。为克服SSHS自身的缺陷,提高其工作性能,本文将原有的入口分流通道改为渐缩式设计,以缓解SSHS原型设计中流量分配不均的缺陷;同时,利用数值方法在分析各结构参数影响基础上进行优化设计。鉴于SSHS内每个换热单元结构均相同,选择了一个完整的换热单元进行模拟分析和参数优化,计算单元包含10个溢流通道、半个入口分流通道与半个出流通道。换热工质为水,单元的流量范围为0.270.90 kg/h,工作压力为常压,盖板热负荷为1 MW/m2,计算模型为层流模型(范围150500)。数值分析结果表明:对于原型设计,入口分流通道末端存在较强烈的滞止效应,直接导致各溢流通道之间流量分配不均,溢流通道间的流量分配相差9.512.9倍,且流量分配不均直接导致换热不均,盖板外壁面的温差达到了10.812.1℃。通过将分流通道改为渐缩式斜坡结构,可以一定程度上消除滞止效应的影响。经过优化对比分析发现,随着斜坡角度的增加,流量分配的均匀性和换热均匀性均得到进一步提高,但同时也导致流动阻力有一定的增加。综合考虑后,确定斜坡角度为4.3°时,可在计算参数范围内使优化结构获得最佳的综合性能。虽然导致系统压降最大增加12%左右,但使流量分配从最大相差12.9倍降至仅相差2.7倍,平均换热均匀性提高了50%以上。改进和优化后的设计可为SSHS的推广应用提供参考和借鉴。

• 单位
  水力学与山区河流开发保护国家重点实验室; 四川大学