周翔宇 劉啟航 潘萍 黃巍

摘要：電子器件高效的換熱問題成為電子設(shè)備中迫切需要解決的問題，微通道換熱技術(shù)因此成為高熱流密度電子器件散熱的發(fā)展方向之一。本文對(duì)影響微通道散熱性能的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，微通道的形狀幾何尺寸與流道內(nèi)液體流速對(duì)系統(tǒng)散熱性能的影響進(jìn)行了仿真分析。通過Ansys數(shù)值仿真軟件，得到了不同的流道尺寸與流速下，熱源溫升與流體進(jìn)出口壓差的數(shù)值，對(duì)比數(shù)值結(jié)果，分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)散熱性能的影響趨勢(shì)。結(jié)果表明：優(yōu)化流道幾何尺寸，選取適宜的液體流速，可以讓微通道的散熱性能得到充分發(fā)揮。研究結(jié)論可為電子設(shè)備全系統(tǒng)散熱提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微通道；散熱性能；數(shù)值仿真；影響趨勢(shì)

1 引言

高集成度高功率的電子器件要求更高效的換熱技術(shù)，微通道換熱技術(shù)因其結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的特點(diǎn)，成為高熱流密度電子器件散熱的有效解決方式之一。電子產(chǎn)品的微通道換熱技術(shù)始于20世紀(jì)80年代初，D.B.Tuckerman與R.F.Pease首先提出了微通道換熱技術(shù)的構(gòu)想，并以硅為材料制造出了微通道熱沉，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。隨著微系統(tǒng)和微設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用，微通道內(nèi)的流動(dòng)和傳熱問題逐漸成為研究者們關(guān)注的方向，國內(nèi)外研究者們通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，對(duì)矩形截面、梯形截面等不同截面形狀的微通道內(nèi)的流動(dòng)特性和傳熱特性進(jìn)行了研究，通過測量流量、進(jìn)出口壓力和溫度等參數(shù)，分析了流體流過微通道時(shí)的摩擦阻力系數(shù)、對(duì)流換熱過程中的熱流通量和努塞爾數(shù)（Nu）。劉趙淼等對(duì)不同水力直徑、截面寬高比和通道長度的矩形微通道的流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。江樂新等對(duì)三組不同水力直徑的矩形微通道內(nèi)流體的流動(dòng)特性開展數(shù)值模擬研究，獲得水力直徑對(duì)流動(dòng)特性的影響規(guī)律。從以上研究中可以看出，矩形微通道以其較好的加工性，較高的穩(wěn)定性和熱性能，成為研究者們關(guān)于微通道幾何參數(shù)研究的重要結(jié)構(gòu)形式之一。本文對(duì)影響矩形微通道散熱性能的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，矩形微通道的幾何尺寸、流道內(nèi)液體流速對(duì)系統(tǒng)散熱性能的影響進(jìn)行了仿真分析，通過數(shù)值仿真軟件，對(duì)比數(shù)值，分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)散熱性能的影響趨勢(shì)。

2 基本理論

3 模型建立與仿真計(jì)算

3.1 模型參數(shù)

微通道散熱系統(tǒng)外表面與空氣接觸，須將外圍計(jì)算域調(diào)整為空氣屬性，流道內(nèi)設(shè)有微通道，表面設(shè)置有兩個(gè)供冷卻劑進(jìn)出的接口，因此需要在流道內(nèi)部添加液體強(qiáng)迫對(duì)流計(jì)算域，并分別對(duì)空氣與液體進(jìn)行質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒與綜合能量交換的建模設(shè)置，仿真模型如圖1所示。

3.2 邊界條件

微通道基座所用熱沉材料的選擇，需考慮原材料的成本、加工難易程度及熱力學(xué)性能的影響，常用于制作微通道熱沉的材料有不銹鋼、硅、鋁和銅，這些基座材料的熱物理性參數(shù)設(shè)置可參考軟件內(nèi)置的材料庫。Ansys Icepak軟件內(nèi)置材料庫，可設(shè)置金屬材料或半導(dǎo)體材料對(duì)應(yīng)的熱物性參數(shù)，如密度（kg/m3）、材料導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·K）、比熱容（J/kg·K）等，可設(shè)置流體工質(zhì)對(duì)應(yīng)的熱物性參數(shù)，如密度，材料導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熱膨脹系數(shù)（1/K）、動(dòng)力黏度（kg/m·s）、運(yùn)動(dòng)粘度（m2/s）、摩爾質(zhì)量（kg/ mol）等。Ansys Icepak中提供了大量的材料數(shù)據(jù)，這些材料被劃分為金屬材料、非金屬材料和半導(dǎo)體材料等，可以直接調(diào)用，或通過Create Material進(jìn)行材料的創(chuàng)建。定義材料后，可以在分析界面中將仿真模型中不同的體賦予不同的參數(shù)。本項(xiàng)目中選取材料庫中Si-Typical作為流道所用的熱沉材料，選擇去離子水Water（320 K）作為流體工質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，材料屬性見表1、表2。

整個(gè)系統(tǒng)主要的熱邊界條件是，熱量由發(fā)熱芯片傳導(dǎo)至微通道散熱器，微通道內(nèi)部流體工質(zhì)在微通道中流動(dòng)形成強(qiáng)迫對(duì)流，從而實(shí)現(xiàn)熱量的交換，該過程既有熱傳導(dǎo)也有對(duì)流傳熱。

將環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，發(fā)熱芯片尺寸設(shè)置為5 mm×5 mm×1 mm，熱流密度為600 W/cm2，共計(jì)150 W，微通道入口流量為150 mL/min，即2.5 cm3/s，流體進(jìn)出口直徑為1.3 mm。

在仿真分析軟件中，根據(jù)輸入要求設(shè)置環(huán)境溫度，微通道為層流狀態(tài)，迭代步數(shù)設(shè)置為600，連續(xù)性和速度殘差為10-3，能量殘差為10-7，調(diào)整松弛因子，設(shè)置溫度監(jiān)測點(diǎn)，多核計(jì)算。

3.3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

在對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬前，往往需要對(duì)物理模型的網(wǎng)格進(jìn)行測試和判斷，根據(jù)網(wǎng)格形狀、網(wǎng)格單元數(shù)量和網(wǎng)格單元質(zhì)量等進(jìn)行判斷網(wǎng)格獨(dú)立性，以此保證數(shù)值仿真結(jié)果可信。本項(xiàng)目在網(wǎng)格獨(dú)立性的相關(guān)判斷時(shí)，考慮了流道不同網(wǎng)格控制尺寸對(duì)數(shù)值仿真結(jié)果的影響，表3列出了流道網(wǎng)格加密對(duì)本項(xiàng)目研究的關(guān)鍵因素的影響數(shù)據(jù)，從表3可以看出，第三組數(shù)據(jù)與第四組數(shù)據(jù)在網(wǎng)格數(shù)量增加較大的情況下，最高溫度與壓差（關(guān)鍵因素）的變化很小，繼續(xù)加密網(wǎng)格對(duì)關(guān)鍵因素的影響不大，綜合單元質(zhì)量及關(guān)鍵因素的變化率，可以判斷在設(shè)置流道網(wǎng)格參數(shù)為第三組時(shí)，網(wǎng)格具有獨(dú)立性，因此，本項(xiàng)目選擇第三組網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)據(jù)組X—Z截面圖如圖2所示，網(wǎng)格劃分模型圖如圖3所示。

3.4 數(shù)值結(jié)果分析

通過后處理模塊的仿真計(jì)算分析，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取顯示。重點(diǎn)對(duì)芯片切面溫度、進(jìn)出水口壓差、流道內(nèi)流場矢量、流體溫度等結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，提取結(jié)果如圖4～8所示。

4 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)散熱性能的影響分析

4.1 不同進(jìn)口流量對(duì)溫升的影響

通過仿真分析，得到表4所示的仿真數(shù)據(jù)，從中可以看出，芯片溫度T隨著流量V的增加而降低，但是下降趨勢(shì)逐漸放緩。曲線如圖9所示。

通過仿真分析，得到表5所示的仿真數(shù)據(jù)，從中可以看出，進(jìn)出口壓差△P隨著流量V的增加而增大，且增量逐漸變大，上升趨勢(shì)越發(fā)明顯。V—△P曲線如圖10所示。

4.3 不同散熱齒間距對(duì)溫升的影響

通過仿真分析，得到表6所示的仿真數(shù)據(jù)，從中可以看出，芯片溫度T隨著微通道齒間距D的增加而增大，但是增量逐漸減小，上升趨勢(shì)逐漸放緩。D—T曲線如圖11所示。

4.4 不同散熱齒間距對(duì)進(jìn)出口壓差的影響

通過仿真分析，得到表7所示的仿真數(shù)據(jù)，從中可以看到：進(jìn)出口壓差隨著微通道齒間距D的增加而降低，且下降趨勢(shì)逐漸放緩。

5 結(jié)論

在微通道設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)散熱性能的影響分析中，通過仿真軟件，針對(duì)相同物理形式的微通道，在不同進(jìn)口流量下對(duì)熱源芯片溫升、進(jìn)出口壓差進(jìn)行了仿真分析，針對(duì)相同的進(jìn)口流量，在不同散熱齒間距下對(duì)熱源芯片溫升、進(jìn)出口壓差進(jìn)行了仿真分析。優(yōu)化流道幾何尺寸，選取適宜的液體流速，可以找到溫升與壓差的相對(duì)平衡點(diǎn)，讓微通道的散熱性能得到充分發(fā)揮，通過比較分析，得到了以下結(jié)論。

（1）發(fā)熱芯片溫度隨著流量的增加而降低，但是下降趨勢(shì)逐漸放緩。

（2）進(jìn)出口壓差隨著流量的增加而增大，且增量逐漸變大，上升趨勢(shì)越發(fā)明顯。

（3）發(fā)熱芯片溫度隨著微通道齒間距的增加而增大，但是增量逐漸減小，上升趨勢(shì)逐漸放緩。

（4）進(jìn)出口壓差隨著微通道齒間距的增加而降低，且下降趨勢(shì)逐漸放緩。

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