浸没射流微通道热沉的数值模拟研究①

2022-11-22贺牧野

佳木斯大学学报（自然科学版） 2022年5期

贺牧野

(安徽理工大学，安徽淮南 232000)

0 引言

随着21世纪第四次工业革命的到来，电子芯片的体积逐渐减小，芯片上的电子元件逐渐增加，便会产生高的热流密度，在系统运行时产生大量的热量，对系统性能造成影响，甚至损坏系统零件。在高热流密度条件下，以往的冷却方法逐渐淘汰，需要探寻更加高效的散热技术。

Tuckerman和Pease[1]在十九世纪八十年代提出微通道的概念后，微通道冷却技术进入了快速发展期。近年来，微通道冷却技术[2-3]和射流冲击技术[4-5]的换热优越性被大量学者通过实验或数值模拟的方法进行了验证，为微通道射流冷却技术[6-7]成为未来高热流密度电子元器件散热的主要技术奠定了基础。本文通过数值模拟的方法对换热面增加圆形柱肋研究在不同靶距H，不同雷诺数Re的情况下对换热面的换热效率和换热均匀性的影响。

1 物理模型及数值计算方法

1.1 物理模型

本文研究的热沉模型如图1所示。热沉由顶部盖板、射流孔板、射流腔、换热腔、换热底板以及加热板六个部分组成。其中，顶部盖板上的入口直径为1mm，射流孔板采用4×5阵列射流孔，射流孔径为d=0.5mm，列与列、行与行之间距离均为2mm。

换热底板上圆形柱肋直径0.5mm，高度0.5mm。有两种排布形式，分别为顺排分布与叉排分布。顺排换热底板采用4×5阵列柱肋，柱肋的列与列、行与行之间距离同样是2mm，与射流孔一一对应。叉排换热底板列与列之间距离为2mm，行与行之间距离为1mm。

1.2 数值计算模型

数值计算采用RNGk-ε模型模拟湍流流动，控制方程与文献[6]所述一致。控制方程采用有限容积法进行离散，压力-速度的耦合采用COUPLE算法，并用二阶迎风格式离散，能量方程采用 QUICK 格式迭代求解，压力插值采用标准格式，计算过程中所有能量方程的收敛残差均设为1×10-7。

1.3 边界条件

热沉入口温度为283K，采用速度入口，速度大小随雷诺数而改变，出口为压力出口，出口压力为正常大气压强。热沉的内部底面为固液耦合换热面，满足热流换热条件，除此外所有壁面均为绝热面且无滑移。热沉的底部加热板提供稳定的热流，热流密度为100W/cm2。

整体模型用Solidworks进行三维建模，用ICEM进行网格划分，使用六面体结构网格，并对射流孔、换热底板及固液耦合面进行网格加密。

2 网格独立性验证

分别对顺排与叉排微通道热沉进行了五组不同网格数目的计算，得到的结果如图2所示。对于顺排热沉，五组网格的数目为353104，1002451，2004231，2995764以及4129720，观察最后两组的数据，发现增加网格数对流换热系数仅增加0.06%，所以综合考虑计算精度和计算时间，顺排微通道热沉网格数选取2995764。同样对于叉排微通道热沉选取3019632。

3 模拟结果分析

3.1 不同柱肋排布方式换热面温度云图

如图3所示，显示了Re=6000，靶距H=3d时，顺排与叉排底部换热面上温度分布云图。由温度分布云图可知，顺排的最大温度分布在底板中部，有明显的温度梯度变化。叉排底部温度无明显温度梯度变化，温度分布较为均匀，且叉排底部换热面上温度整体比顺排底部换热面上温度要低。这是因为顺排底部的柱肋与射流孔板上的射流孔在垂直方向上一一对应，冷却介质首先冲击在柱肋顶端，在两行柱肋之间流向出口，远离出口的介质在流向出口时会被靠近出口的介质干涉阻拦，不能及时的流出，导致热量积聚，从而形成高温区域。而叉排底部的柱肋与射流孔板上的射流孔交错分布，远离出口的介质在流向出口时会被交错的柱肋分流，弱化靠近出口的介质的干涉阻拦作用，换热介质得以迅速流出，使底部换热面温度分布更加均匀。

3.2 不同Re对换热效率的影响

如图4所示，显示了在靶距H=3d，不同Re时换热面沿着X方向上对流换系数的分布。从图上可知，换热面的对流换热系数随着雷诺数的增加而增加。在雷诺数较小处于2000-6000范围内时，增加雷诺数对提高对流换热系数有显著作用，但是在雷诺数超过6000后，提高雷诺数对提高对流换热系数的作用逐渐减小。在固定雷诺数的情况下，换热面底部距离出口较远的区域的对流换热系数高于靠近出口的区域。

3.3 不同靶距H对换热效率的影响

如图5所示，显示了在雷诺数Re=3d，不同靶距H时换热面沿着X方向上对流换系数的分布。从图上可知，换热面的对流换热系数随着靶距的增加逐渐减小，且靶距越大，对流换热系数减小的幅度越大。这是因为靶距较小时，射流冲击速度大，能够快速的冲击换热面，带走大量的热量，有效降低换热面温度，提高换热效率。随着靶距的增大，射流冲击到换热面时速度不足，介质流速减慢，不能迅速带走热量，造成热量积聚，换热效果较弱。