外文翻译各种冷却通道层流换热性能设计的数值研究

1、21/21中文6600字毕业设计(论文)外文资料翻译系 ： (能源与动力工程) 专 业： 热能与动力工程 姓 名： 学 号： 0802050508 (用外文写)外文出处： Applied Thermal Engineering 31 (2011)1293-1304 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语： 签名： 年 月 日附件1：外文资料翻译译文各种冷却通道层流换热性能设计的数值研究作者 Jundika C. Kurnia a, Agus P. Sasmito a,b,*, Arun S. Mujumdar a,b1介绍本文研究涉及了各种冷却剂通道传热性能的设计，例如平

2、行通道，蛇形通道，波浪形通道，螺旋状通道和新型混合通道。冷却剂通道在设计完之后放在一个电子芯片上面，电子芯片的热耗是不断变化的。一个方形截面通道的层流牛顿体用一个三维计算流体动力学来研究，调查了5个通道的雷诺数来定量雷诺数对冷却剂通道性能设计的影响，对每个设计的优势和局限性在数值结果上进行了讨论。数字的优点，即单位泵功率传输的热量为检查各种通道做比较。今年来，电子设备已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分，在这些设备的操作上，必须保持电子元件的温度低于建议的上限水平，一达到组件的最佳性能,最高效率和可靠性。无法维持在推荐的温度范围会降低系统的性能，效率和寿命，甚至可能导致灾难性系统故障。在快速

3、的微处理器的发展下，这一问题已变得更加严重，不仅是电子元件，还有在电力系统中提供能量的电子元件。在试图解决这个问题上，不同的冷却策略被提出和发展。目前，有5个冷却策略：（一）液体冷却（二）强迫对流冷却（三）自然对流冷却（四）边缘冷却（五）改变相的冷却。在这些方法中，液体冷却系统提供了相当高的传热率，这归功于大的普朗特数流体提供卓越的散热率，比如水。液体冷却系统一般分为直接冷却和间接冷却两大类。直接冷却基本上是被处理芯片沉浸在冷却液室，这种冷却策略允许导电的液体直接与处理芯片接触，从而消除大部分热阻，因此，它相比于间接冷却通常提供更高的传热效率。然而，直接冷却传热性能取决于冷却液的热物理性能，有

4、时低于水。此外，所有的液体冷却剂成本都高于水。另一方面，在间接冷却中水可以作为冷却液，因为它不与处理器直接接触。相反，它在插入芯片的微通道中流动。因此，通道的墙壁作为分隔物，增加热阻。因此，谨慎考虑设计中通道的传热性能。许多研究已进行了调查，并对各种冷却通道加强了传热性能，如16-20平行，蛇纹20-22，树形15,23 E25，波浪26,27。最近，Lee等人28,29建议使用斜翅片强化冷却通道的传热性能。在这种情况下，在通道里的流动始终处于发展阶段。在导致在薄边界层有更好的传热率。尽管已对冷却通道的传热性能进行广泛的研究，仍然没有达成一个明确的结论。因此，通过评估一些新的配置对冷却通道的传

5、热性能仍然有进一步改善的余地,这就是这项工作的主题。本文报道了一些新的冷却通道设计的数值模拟，如图所示的结果。 1。他们是：常规并排（图1a）和蛇形通道（图1b），波浪（图1c）和最近提出的斜翅（图1d）的渠道，以及在这项研究中首次提出的矩形线圈（图1E）和新型混合通道（如图一所示）。本研究的目的是确定一个最佳冷却通道设计，具有最高的传热性能。为了比较不同的冷却通道的传热性能，定义了一个优异的数字。从本质上讲，它是从处理器芯片到需要泵能的每单位液体的传热率。一个来自图的优点，在确定传热性能需要考虑到处理器芯片温度的均匀性。5个雷诺数和3个热通量条件的模拟来评估冷却速度和每个冷却通道的传热性能注

6、意结果也与聚合物电解质膜（PEM）燃料电池堆和电池组散热管理有关。2 数学模型数学模型（见图2）由两部分组成，即固体分离器和冷却通道，允许固体分离器和冷却液之间的耦合传热。一个代表电子元器件内的热量的恒定的热通量，规定在固体分离器的底部。热量通过传导通过分离器，那么它被冷却液带走。固体分离器被假定为等向性热传导，而冷却液被认为是不可压缩的牛顿层流。此外，为确保为每个通道设计的热传输性能比较的保真度，所有的设计芯片面积保持恒定和每个通道的设计总长度相差值仅小于5。由于这项工作只涉及到层流，一个精确的数值解决方案足够非常密切的模拟现实。2.1 控制方程对于固体壁，传热方式是热传导，描述方程是 =0

7、 （1）Ks是分离器的热导率，T为温度。在冷却通道，需考虑流体流动和对流换热。质量，动量和能量守恒体现在 （2） (3) (4) 是流体的密度，u是流体的速度，p是压力，是动力粘度的流体，为流体的比热，为流体的传热系数。2.2. 本构关系本文谈论的工作流体是水，水的热物理性质可由温度的多项式函数得出30;水的密度表示为 （5）同时水的速度表示为 （6）水的传热系数由以下公式计算的出 （7）水的比热认为是恒定的 （8） 如前所述，冷却通道的传热性能从数字的优点讨论，Fom,定义为 （9）图1。冷却通道设计：（一）平行;（二）蛇纹;（三）波浪;（四）斜翅;（五）盘绕外的入口/出口;（六）在内连续的

8、入口/出口;（七）连续蛇纹和（H）双蛇盘绕。图2。计算域（一）并行：（二）蛇纹石;（三）波浪;（D）斜翅;（五）盘绕外的入口/出口;（六）在内连续的入口/出口;（七）连续蛇纹（H）双蛇形设计的盘绕;顶（Z 0）对应的流道和底部（Z 0）表示固分离其中Ppump是推动流体流过通道的能量，Q是总热量的传输速率，分别是 （10） （11）在这里，Ppump是泵效率（假定为70），M是质量流量，P是在冷却通道的压降; Qmc是热流耗散和传热面积。作为一个均匀性的措施，我们比较每个流程设计的温度的标准偏差定义为 （12）这里Tave是表面的平均温度 （13）2.3边界条件通道内流动边界条件定义如下：入口

9、：在入口，我们规定入口流量和入口温度M= Min; T=Tin （14）出口：在出口，我们指定的压力和流向温度梯度设置为零，出口速度不知道先验的，而是需要从邻近的单元格迭代计算。 （15） 下壁：在固体分离器的底部（Z=1*10 如图2），我们规定一个固定的热通量，从电子芯片产生的热量 （16）流道/固体分离器接口：在流动渠道和固体分离器之间的接口（Z= 0，如图2），我们没有设置速度的滑移条件，而固体和液体之间的温度耦合，以便共轭传热 U= 0 （17）流道壁：在通道的墙壁上，我们没有指定滑移和绝热条件 （18）固体分离壁：在固体分离器侧壁，我们设置了绝热条件 （19）在本文中，质量流速的范

10、围代表雷诺 100，250，500，750和1000。而指定的热通量范围从，（这是在电子设备或燃料电池中发现的的典型的低热量密度条件）到（这代表计算机芯片的热通量）。3 数值计算在AutoCAD 2010中创建计算域（见图2）;用预处理器的商业软件GAMBIT2.3.16啮合，标注边界条件，并确定计算域。实施三种不同数量的网格-2.510，510和110对形成的局部压力，速度和温度进行比较，以确保一个网状的独立解决方案。我们发现，网目尺寸的网数额约510和110相比，约1的偏差；而从网目尺寸为2.510得出的结果比最好的之一偏离了7。因此，网格约5 10元素（500*500*200）能足够满足

11、数值调查的目的：一个靠近壁面的良好的结构化网格，来解决边界层和在中间的通道越来越粗网格，降低计算成本。表1 基本情况和运行参数方程（1）-（3）一起由u，v，w, p，T,五个因变量构成的相应的边界条件和本构关系已经由商业的有限体积求解Fluent6.3.26软件解决。用C语言写的户定义函数（UDF），描述了流体的热物理性质和化学性质对温度的依赖性。方程组求解用知名Pressure-Linked方程半隐式（SIMPLE）算法，一阶迎风离散和代数多网格（AMG的）方法。作为计算成本的指标，它指出，平均而言，需要大约200500次收敛准则迭代使所有相对残差在10，这需要工作站用四核心处理器（1.8

12、3 GHz）4GB的RAM 530分钟时间。4 结果与讨论对典型条件进行了数值模拟之后发现，在电子冷却中：基本条件和与物理参数一起列于表1，而几何细节在表2中可以发现。下面模拟了八种不同的通道设计，五个不同的冷却剂的流速，和三种不同的热流值来研究这些因素对散热管理的影响。实施了FOM的概念图来调查和比较单位泵功率的散热性能。4.1 通道的几何形状的影响确定散热性能的关键因素之一是流场的几何形状，因为它直接关系到速度表2 几何参数图3。速度轮廓和冷却通道米处的向量;（A）平行（B）蛇纹;（C）波浪;（D）斜翅;（E）连续外进口/出口;（F）内部的入口/出口;（G）蛇纹石（H）Re500, 的双蛇

13、形盘绕。图4。在冷却通道的表面温度分布（Z=0）（A）平行（B）蛇纹;（C）波浪;（D）斜翅;（E）连续外进口/出口;（F）内部的入口/出口;（G）蛇纹石（H）Re500, 的双蛇形盘绕。和通道内的温度分布。在一般情况下，较高的流速导致更高的对流换热，因此，更多的电子设备的热可以消退，从而保持温度在允许的范围内分布更均匀。8个不同的通道设计在流道中间（米）的预测流速剖面图3所示。在这里，有几个特点是显而易见的，其中最重要的是，蛇纹石（见图3B）。盘绕（见图3ef）和混合设计（见图3g-h）。整个冷却板相比传统的并行（图3a）,波浪通道（图3c）和斜翅片通道（图3d）表现出更高，更均匀的速度分布

14、。据悉，在中间的平行冷却板，斜鳍和波状的流速剖面渠道可以比进口速度低一阶的幅度，即使在斜翅通道有二次流存在。这是由于在每个通道的质量流量分布不均;一个替代设计超出了本文的范围可以实施，以提高在每个通道流量分配均匀，例如文献 31,32。较高的速度剖面，预计将直接影响散热性能，这确实是这种情况，从图4中可以推断。根据从入口到出口地区沿流道表面温度的增加，这说明了一个趋势。结果表明，传统的并行通道相对于其它的来说大都是非均匀温度分布：高达25度显着的温度变化的一个“热点”区域位于中央区（见图4A）。斜鳍通道，在另一方面，由于二次流的存在性能优于平行渠道，图4D中可以看出。这是在网上与李某等人的研究

15、结果。 28,29表明，斜翅通道比并行通道产生更好的传热速度。然而，应当指出，非均匀的温度分布和最高温度变化20度的“热点”在出口地区存在，它可以是这种设计的缺点。波纹通道设计，相比前两个设计,它的最高温度略低（）和“热点”区域较小（见图4c）。而在蛇形通道的设计，进气口附近的温度低（接近入口温度），并在出口领域存在高温（），图4B中可以看到。 到目前为止，四个直线通道设计平行管道，斜翅，波浪和蛇纹被发现都导致不均匀温度分布（热点）。现在看这四种不同连续基设计，如图4,一个可以观察到的是连续基设计和这四个设计相比产生更均匀的温度分布。在连续基设计中，新鲜和温暖的流体通道的结构设置与通道内的高流

16、速交替一起产生一个较低的最高温度和更均匀的温度分布。仔细观察，可以看出外进口/出口的盘绕设计，使中部地区温度稍高（见图4E），而内部的入口/出口的盘绕设计在中央区域产生的温度略低（见图4F）。此外，混合设计（单和双蛇盘绕），相比于进口/出口设计的线圈的温度分布无显着性差异。因此，这些结果表明，一般为适合电子元件冷却要求温度均匀盘绕基通道设计分布。当然，在具体应用中可能需要进一步优化。图5（a）直线设计及（b）各种雷诺数下连续基e设计的平均温度图6（a）直线的设计及（b）在不同的雷诺数连续基设计温度的标准偏差。4.2 质量流量的影响这项研究的一个进一步兴趣点是冷却液的质量流量的影响，因为它直接关

17、系到对流换热转让和抽水所需的电量。本研究探讨研究5种不同雷诺数为100，250，500，750和1000对应的冷却剂的流速。图5描绘各种渠道设计在不同的雷诺数的平均温度。正如所料，平均温度降低质量流量增加。有趣的是，一些通道设计的平均温度在低和高的速度时候表现不同：斜翅通道的平均温度在低速是略低于波纹通道，高速则越来越高（见图5A）。此外，连续基通道设计的平均气温高于低速平行和斜翅渠道;反之，在高的速度，连续基通道设计比平行和斜翅渠道产生较低的平均温度。这意味着，连续基通道设计在高流速条件更有效。散热性能的评估不仅需要以平均温度为基础，而且还需要温度分布均匀度。作为一个温度均匀的措施，温度分布

18、在不同的冷却水流速的标准差定义为Eq，（12），进行了比较。正如图6，所有通道的设计，分布更加均匀，冷却图7（a）直线的设计（b）在不同的雷诺数连续基设计的压降。图8 （a）直线设计（b）盘绕在基地设计不同热通量条件的平均温度。水流量增加。此外，与这里考虑的全部流速范围（见图6a）的其他设计相比，连续基通道设计温度分布的标准偏差较低（参见图6b）。这表明，盘绕底座设计比其他设计产生更均匀温度分布。值得注意的是与内进口/出口设计的盘绕，在更高的速度有更均匀的温度分布，但使得在较低的速度下更不均匀。直线通道设计之中，蛇形通道产生更均匀的温度分布，如图6A。此外，波浪和斜翅式通道设计，在更高的速度时

19、温度的分布比平行通道更均匀，但在较低的速度比那些平行通道更不均匀。这提供了明确的证据，斜翅式和波浪渠道也更有效地应用于高流量时，尤其是如果温度均匀性更大，尽管其温度分布均匀仍然远远低于连续基的通道设计。 保持在最低的压降有利于减少散热管理的经营成本;何处应该能够保持低和均匀的温度，压力降低到最低限度，同时保持一个良好的渠道设计。连续基通道的设计，如图7所示。要求最高的压降来带动流量;这可以从通道内的更复杂的流动模式预期。蛇形通道的压降比连续基通道低（10），但它仍然比平行，斜翅式和波浪渠道高一阶幅度。斜翅片通道内获得最低的压降，其次是平行和波浪渠道。我们注意到，如果流通道不分裂，即连续基和蛇纹

20、设计，所需的压降比冷却液流量分裂被迫流入较长的段落高得多。此外，压降与雷诺数之间的特点已经确定;连续基和蛇纹通道的斜坡比平行，斜鳍和波状渠道陡。 就系统中的传热性能和压降，引入“优异图”的概念来评价以泵浦功率为单位的热传输性能的有效性。表3显示了不同雷诺数各种渠道设计的优点的计算数字。据发现，除了从高热量的传输速率和更均匀的温度分布，连续基的通道设计，具有优异的数字较低，这是由于连续基渠道要求最高的压降（见图7）。图9温度标准偏差（a）直线设计(b)不同热量下的连续基设计 图10压降（a）直线设计(b)不同热量下的连续基设计其次是蛇形通道在高雷诺数具有的数字略高的优点，但它提供了更高的非均匀温

21、度。平行，波浪，和斜翅的渠道，另一方面，由于其较低的压降，相比那些盘绕和蛇形通道，择优给予更高的数字，高达约一阶幅度。据悉，在所有雷诺数下，斜翅通道提供了优异的最高数字，紧跟波纹通道和并行通道。当设计散热片，然而，谨慎平衡和必须考虑到传热性能泵浦功率。如果性能和均匀性最有利，例如芯片冷却，冷却板可以考虑连续基设计。然而，如果泵浦功率是主要制约因素，例如燃料电池冷却，斜翅式通道设计可能有潜力有待进一步优化设计后使用。4.3 热通量的影响到目前为止，模拟电子设备产生的热通量已设置为，发现在燃料电池和低热量密度电子设备这是一个典型的情况。直观地，随着热通量的提高温度预计将增加，如图8所示。在这里，发

22、现平均气温值在所有流道测试设计中与符合规定的热通量是成正比的。恒定的坡度，观察所有通道的设计，不论在规定的热通量。对于每个流道设计，连续基，蛇纹，和波浪的渠道给予较低平均气温，没有显示可辨别的差异，而并行通道的设计，在斜翅通道之后给出了最高的平均气温。着手均匀的温度分布，如图 9，温度均匀度也与符合规定的热通量成正比;尽管平均气温和每个流道设计的温度均匀秩序相比，略有不同的梯度。在这里，平行通道表现出最非均匀的温度分布等。其次是波浪通道（约15的差异），斜翅通道（18的差异），和蛇形通道，显示高达50的标准差的差异。发现连续基通道的设计，坡比别人低。因此，温度分布更均匀，达到甚至更高的热通量。

23、此外，它指出的是内部的入口/出口的连续基设计提供最佳的温度分布均匀，特别是对高热流条件。这主要是由于入口被放置在芯片中的位置，以使更多的淡水接触芯片表面覆盖较大的换热面积，因此，比较外进口/出口设计保持一个更均匀分布。这意味着内部的入口/出口的盘绕设计应用于高热流条件下的电子冷却可能有潜力。 作为工作流体的热物理性质，化学性质，它是温度的函数，它因此也是，评估热通量条件影响流体性质及其流体力学的一个筹码。图10显示压力下降在各种渠道设计所需的不同热通量。据发现，在所有的情况下，压降降低时热通量增加。这是由于在较高温度下的粘度下降，从而产生更高的热通量。进一步检查注意到，连续底座设计，在相同的入

24、口条件，所需的压降降低到13左右时，热通量提高5*，同时蛇纹（12），波浪（11），其次是平行（8），和斜翅通道（5）。因此，可以推断在高热通量时连续基通道是更有效的，泵浦功率比在低热流条件下使用时低。5 结束语 一个各种冷却通道设计的热传输性能计算的研究已经进行了调查。 8个通道的配置，平行，波浪形，斜翅，蛇纹，连续基通道设计，即入口/出口的外线圈，线圈外的入口/出口，与蛇纹通道混合线圈，混合线圈进行调查，互相比较其性能优异的数字。发现，即连续基通道设计提供更高，更均匀的传热率，同时他们也施加显着较高的压降代价。因此，连续基通道设计的优点系数是较低的。然而，对于应用程序，传热性能和均匀性的利

25、益和泵浦功率不是一个问题。连续通道最重要的是理想的选择，尤其是在关键的冷却性能的应用上。参考文献1 R.C. Chu, R.E. Simons, M.J. Ellsworth, R.R. Schmidt, V. Cozzolino, Review ofcooling technologies for computer products, IEEE Transactions on Device andMaterials Reliability 4 (2004) 568e585.2 D.S. Steinberg, Cooling Techniques for Electronic Equipmen

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