外文資料翻譯（中文）--各種冷卻通道層流換熱性能設(shè)計的數(shù)值研究

1、<p><b>　　中文6600字</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　系 ： (能源與動力工程) </p><p>　　專 業(yè)： 熱能與動力工程 </p><p>　　姓

2、 名： </p><p>　　學(xué) 號： 0802050508 </p><p>　　外文出處： Applied Thermal Engineering 31 </p><p>　　(

3、2011)1293-1304 </p><p>　　附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　各種冷卻通道層流換熱性能設(shè)計的數(shù)值研究</p><p>　　作者 Jundika C. Kurnia a,

4、 Agus P. Sasmito a,b,*, Arun S. Mujumdar a,b</p><p><b>　　1介紹</b></p><p>　　本文研究涉及了各種冷卻劑通道傳熱性能的設(shè)計，例如平行通道，蛇形通道，波浪形通道，螺旋狀通道和新型混合通道。冷卻劑通道在設(shè)計完之后放在一個電子芯片上面，電子芯片的熱耗是不斷變化的。一個方形截面通道的層流牛頓體用一個三維

5、計算流體動力學(xué)來研究，調(diào)查了5個通道的雷諾數(shù)來定量雷諾數(shù)對冷卻劑通道性能設(shè)計的影響，對每個設(shè)計的優(yōu)勢和局限性在數(shù)值結(jié)果上進行了討論。數(shù)字的優(yōu)點，即單位泵功率傳輸?shù)臒崃繛闄z查各種通道做比較。</p><p>　　今年來，電子設(shè)備已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，在這些設(shè)備的操作上，必須保持電子元件的溫度低于建議的上限水平，一達到組件的最佳性能,最高效率和可靠性。無法維持在推薦的溫度范圍會降低系統(tǒng)的性能，效率和

6、壽命，甚至可能導(dǎo)致災(zāi)難性系統(tǒng)故障。在快速的微處理器的發(fā)展下，這一問題已變得更加嚴(yán)重，不僅是電子元件，還有在電力系統(tǒng)中提供能量的電子元件。在試圖解決這個問題上，不同的冷卻策略被提出和發(fā)展。</p><p>　　目前，有5個冷卻策略：（一）液體冷卻（二）強迫對流冷卻（三）自然對流冷卻（四）邊緣冷卻（五）改變相的冷卻。在這些方法中，液體冷卻系統(tǒng)提供了相當(dāng)高的傳熱率，這歸功于大的普朗特數(shù)流體提供卓越的散熱率，比如水。液體

7、冷卻系統(tǒng)一般分為直接冷卻和間接冷卻兩大類。直接冷卻基本上是被處理芯片沉浸在冷卻液室，這種冷卻策略允許導(dǎo)電的液體直接與處理芯片接觸，從而消除大部分熱阻，因此，它相比于間接冷卻通常提供更高的傳熱效率。然而，直接冷卻傳熱性能取決于冷卻液的熱物理性能，有時低于水。此外，所有的液體冷卻劑成本都高于水。另一方面，在間接冷卻中水可以作為冷卻液，因為它不與處理器直接接觸。相反，它在插入芯片的微通道中流動。因此，通道的墻壁作為分隔物，增加熱阻。因此，謹(jǐn)慎

8、考慮設(shè)計中通道的傳熱性能。</p><p>　　許多研究已進行了調(diào)查，并對各種冷卻通道加強了傳熱性能，如[16-20]平行，蛇紋[20-22，樹形[15,23 E25]，波浪[26,27]。最近，Lee等人[28,29]建議使用斜翅片強化冷卻通道的傳熱性能。在這種情況下，在通道里的流動始終處于發(fā)展階段。在導(dǎo)致在薄邊界層有更好的傳熱率。盡管已對冷卻通道的傳熱性能進行廣泛的研究，仍然沒有達成一個明確的結(jié)論。因此，通過

9、評估一些新的配置對冷卻通道的傳熱性能仍然有進一步改善的余地,這就是這項工作的主題。</p><p>　　本文報道了一些新的冷卻通道設(shè)計的數(shù)值模擬，如圖所示的結(jié)果。 1。他們是：常規(guī)并排（圖1a）和蛇形通道（圖1b），波浪（圖1c）和最近提出的斜翅（圖1d）的渠道，以及在這項研究中首次提出的矩形線圈（圖1E）和新型混合通道（如圖一所示）。本研究的目的是確定一個最佳冷卻通道設(shè)計，具有最高的傳熱性能。為了比較不同的冷卻

10、通道的傳熱性能，定義了一個優(yōu)異的數(shù)字。從本質(zhì)上講，它是從處理器芯片到需要泵能的每單位液體的傳熱率。一個來自圖的優(yōu)點，，在確定傳熱性能需要考慮到處理器芯片溫度的均勻性。5個雷諾數(shù)和3個熱通量條件的模擬來評估冷卻速度和每個冷卻通道的傳熱性能注意結(jié)果也與聚合物電解質(zhì)膜（PEM）燃料電池堆和電池組散熱管理有關(guān)。</p><p><b>　　2 數(shù)學(xué)模型</b></p><p&

11、gt;　　數(shù)學(xué)模型（見圖2）由兩部分組成，即固體分離器和冷卻通道，允許固體分離器和冷卻液之間的耦合傳熱。一個代表電子元器件內(nèi)的熱量的恒定的熱通量，規(guī)定在固體分離器的底部。熱量通過傳導(dǎo)通過分離器，那么它被冷卻液帶走。固體分離器被假定為等向性熱傳導(dǎo)，而冷卻液被認為是不可壓縮的牛頓層流。此外，為確保為每個通道設(shè)計的熱傳輸性能比較的保真度，所有的設(shè)計芯片面積保持恒定和每個通道的設(shè)計總長度相差值僅小于5％。由于這項工作只涉及到層流，一個精確的數(shù)值

12、解決方案足夠非常密切的模擬現(xiàn)實。</p><p>　　2.1 控制方程對于固體壁，傳熱方式是熱傳導(dǎo)，描述方程是</p><p>　　=0 （1）</p><p>　　Ks是分離器的熱導(dǎo)率，T為溫度。在冷卻通道，需考慮流體流動和對流換熱。質(zhì)量，動量和能量守恒體現(xiàn)在</p

13、><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　(3)</b></p><p><b>　　(4) </b></p><p>　　是流體的密度，u是流體的速度，p是壓力，是動力粘度的流體，為流體的比熱，為流體的傳熱系數(shù)。</p><p

14、><b>　　2.2. 本構(gòu)關(guān)系</b></p><p>　　本文談?wù)摰墓ぷ髁黧w是水，水的熱物理性質(zhì)可由溫度的多項式函數(shù)得出[30];水的密度表示為</p><p><b>　　（5）</b></p><p><b>　　同時水的速度表示為</b></p><p><

15、;b>　?。?）</b></p><p>　　水的傳熱系數(shù)由以下公式計算的出</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　水的比熱認為是恒定的</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　如前所述，冷卻通道的傳熱性能從

16、數(shù)字的優(yōu)點討論，F(xiàn)om,定義為</p><p><b>　　（9）</b></p><p>　　圖1。冷卻通道設(shè)計：（一）平行;（二）蛇紋;（三）波浪;（四）斜翅;（五）盤繞外的入口/出口;（六）在內(nèi)連續(xù)的入口/出口;（七）連續(xù)蛇紋和（H）雙蛇盤繞。</p><p>　　圖2。計算域（一）并行：（二）蛇紋石;（三）波浪;（D）斜翅;（五）盤繞外

17、的入口/出口;（六）在內(nèi)連續(xù)的入口/出口;（七）連續(xù)蛇紋（H）雙蛇形設(shè)計的盤繞;頂（Z> 0）對應(yīng)的流道和底部（Z <0）表示固分離</p><p>　　其中Ppump是推動流體流過通道的能量，Q是總熱量的傳輸速率，分別是</p><p><b>　?。?0）</b></p><p><b>　?。?1）</b>

18、;</p><p>　　在這里，Ppump是泵效率（假定為70％），M是質(zhì)量流量，P是在冷卻通道的壓降; Qmc是熱流耗散和傳熱面積。作為一個均勻性的措施，我們比較每個流程設(shè)計的溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差定義為</p><p>　　（12）這里Tave是表面的平均溫度</p><p><b>　?。?3）</b></p><p>

19、　　2.3．邊界條件通道內(nèi)流動邊界條件定義如下：</p><p>　　入口：在入口，我們規(guī)定入口流量和入口溫度M= Min; T=Tin （14）出口：在出口，我們指定的壓力和流向溫度梯度設(shè)置為零，出口速度不知道先驗的，而是需要從鄰近的單元格迭代計算。

20、 （15） 下壁：在固體分離器的底部（Z=1*10 如圖2），我們規(guī)定一個固定的熱通量，從電子芯片產(chǎn)生的熱量</p><p><b>　　（16）</b></p><p>　　流道/固體分離器接口：在流動渠道和固體分離器之間的接口（Z= 0，如圖2），我們沒有設(shè)置速度的滑移條件，而固體和液體之間的溫度耦合，以便共軛傳熱

21、 U= 0 （17）</p><p>　　流道壁：在通道的墻壁上，我們沒有指定滑移和絕熱條件 （18）</p><p>　　固體分離壁：在固體分離器側(cè)壁，我們設(shè)置了絕熱條件

22、 （19）在本文中，質(zhì)量流速的范圍代表雷諾 ~100，250，500，750和1000。而指定的熱通量范圍從，（這是在電子設(shè)備或燃料電池中發(fā)現(xiàn)的的典型的低熱量密度條件）到（這代表計算機芯片的熱通量）。</p><p><b>　　3 數(shù)值計算</b></p><p>　　在AutoCAD 2010中創(chuàng)建計

23、算域（見圖2）;用預(yù)處理器的商業(yè)軟件GAMBIT2.3.16嚙合，標(biāo)注邊界條件，并確定計算域。實施三種不同數(shù)量的網(wǎng)格-2.5·10，5·10和1·10對形成的局部壓力，速度和溫度進行比較，以確保一個網(wǎng)狀的獨立解決方案。我們發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)目尺寸的網(wǎng)數(shù)額約5·10和1·10相比，約1％的偏差；而從網(wǎng)目尺寸為2.5·10得出的結(jié)果比最好的之一偏離了7％。因此，網(wǎng)格約5· 10元素

24、（500*500*200）能足夠滿足數(shù)值調(diào)查的目的：一個靠近壁面的良好的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，來解決邊界層和在中間的通道越來越粗網(wǎng)格，降低計算成本。</p><p>　　表1 基本情況和運行參數(shù)</p><p>　　方程（1）-（3）一起由u，v，w, p，T,五個因變量構(gòu)成的相應(yīng)的邊界條件和本構(gòu)關(guān)系已經(jīng)由商業(yè)的有限體積求解Fluent6.3.26軟件解決。用C語言寫的戶定義函數(shù)（UDF），描

25、述了流體的熱物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)對溫度的依賴性。方程組求解用知名Pressure-Linked方程半隱式（SIMPLE）算法，一階迎風(fēng)離散和代數(shù)多網(wǎng)格（AMG的）方法。作為計算成本的指標(biāo)，它指出，平均而言，需要大約200—500次收斂準(zhǔn)則迭代使所有相對殘差在10，這需要工作站用四核心處理器（1.83 GHz）4GB的RAM 5—30分鐘時間。</p><p><b>　　4 結(jié)果與討論</b&g

26、t;</p><p>　　對典型條件進行了數(shù)值模擬之后發(fā)現(xiàn)，在電子冷卻中：基本條件和與物理參數(shù)一起列于表1，而幾何細節(jié)在表2中可以發(fā)現(xiàn)。下面模擬了八種不同的通道設(shè)計，五個不同的冷卻劑的流速，和三種不同的熱流值來研究這些因素對散熱管理的影響。實施了FOM的概念圖來調(diào)查和比較單位泵功率的散熱性能。</p><p>　　4.1 通道的幾何形狀的影響</p><p>　

27、　確定散熱性能的關(guān)鍵因素之一是流場的幾何形狀，因為它直接關(guān)系到速度</p><p><b>　　表2 幾何參數(shù)</b></p><p>　　圖3。速度輪廓和冷卻通道米處的向量;（A）平行（B）蛇紋;（C）波浪;（D）斜翅;（E）連續(xù)外進口/出口;（F）內(nèi)部的入口/出口;（G）蛇紋石（H）Re~500, 的雙蛇形盤繞。</p><p>　　圖4。

28、在冷卻通道的表面溫度分布（Z=0）（A）平行（B）蛇紋;（C）波浪;（D）斜翅;（E）連續(xù)外進口/出口;（F）內(nèi)部的入口/出口;（G）蛇紋石（H）Re~500, 的雙蛇形盤繞。</p><p>　　和通道內(nèi)的溫度分布。在一般情況下，較高的流速導(dǎo)致更高的對流換熱，因此，更多的電子設(shè)備的熱可以消退，從而保持溫度在允許的范圍內(nèi)分布更均勻。8個不同的通道設(shè)計在流道中間（米）的預(yù)測流速剖面圖3所示。在這里，有幾個特點是顯而

29、易見的，其中最重要的是，蛇紋石（見圖3B）。盤繞（見圖3e—f）和混合設(shè)計（見圖3g-h）。整個冷卻板相比傳統(tǒng)的并行（圖3a）,波浪通道（圖3c）和斜翅片通道（圖3d）表現(xiàn)出更高，更均勻的速度分布。據(jù)悉，在中間的平行冷卻板，斜鰭和波狀的流速剖面渠道可以比進口速度低一階的幅度，即使在斜翅通道有二次流存在。這是由于在每個通道的質(zhì)量流量分布不均;一個替代設(shè)計——超出了本文的范圍——可以實施，以提高在每個通道流量分配均勻，例如文獻 [31,32

30、]。</p><p>　　較高的速度剖面，預(yù)計將直接影響散熱性能，這確實是這種情況，從圖4中可以推斷。根據(jù)從入口到出口地區(qū)沿流道表面溫度的增加，這說明了一個趨勢。結(jié)果表明，傳統(tǒng)的并行通道相對于其它的來說大都是非均勻溫度分布：高達25度顯著的溫度變化的一個“熱點”區(qū)域位于中央?yún)^(qū)（見圖4A）。斜鰭通道，在另一方面，由于二次流的存在性能優(yōu)于平行渠道，圖4D中可以看出。這是在網(wǎng)上與李某等人的研究結(jié)果。 [28,29]表明

31、，斜翅通道比并行通道產(chǎn)生更好的傳熱速度。然而，應(yīng)當(dāng)指出，非均勻的溫度分布和最高溫度變化20度的“熱點”在出口地區(qū)存在，它可以是這種設(shè)計的缺點。波紋通道設(shè)計，相比前兩個設(shè)計,它的最高溫度略低（）和“熱點”區(qū)域較小（見圖4c）。而在蛇形通道的設(shè)計，進氣口附近的溫度低（接近入口溫度），并在出口領(lǐng)域存在高溫（），圖4B中可以看到。 到目前為止，四個直線通道設(shè)計——平行管道，斜翅，波浪和蛇紋——被發(fā)現(xiàn)都導(dǎo)致不均勻溫度分布（熱點）?，F(xiàn)在看

32、這四種不同連續(xù)基設(shè)計，如圖4,一個可以觀察到的是連續(xù)基設(shè)計和這四個設(shè)計相比產(chǎn)生更均勻的溫度分布。在連續(xù)基設(shè)計中，新鮮和溫暖的流體通道的結(jié)構(gòu)設(shè)置與通道內(nèi)的高流速交替一起產(chǎn)生</p><p>　　圖5（a）直線設(shè)計及（b）各種雷諾數(shù)下連續(xù)基e設(shè)計的平均溫度</p><p>　　圖6（a）直線的設(shè)計及（b）在不同的雷諾數(shù)連續(xù)基設(shè)計溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。</p><p>　　4.

33、2 質(zhì)量流量的影響</p><p>　　這項研究的一個進一步興趣點是冷卻液的質(zhì)量流量的影響，因為它直接關(guān)系到對流換熱轉(zhuǎn)讓和抽水所需的電量。本研究探討研究5種不同雷諾數(shù)為100，250，500，750和1000對應(yīng)的冷卻劑的流速。圖5描繪各種渠道設(shè)計在不同的雷諾數(shù)的平均溫度。正如所料，平均溫度降低質(zhì)量流量增加。有趣的是，一些通道設(shè)計的平均溫度在低和高的速度時候表現(xiàn)不同：斜翅通道的平均溫度在低速是略低于波紋通道，高

34、速則越來越高（見圖5A）。此外，連續(xù)基通道設(shè)計的平均氣溫高于低速平行和斜翅渠道;反之，在高的速度，連續(xù)基通道設(shè)計比平行和斜翅渠道產(chǎn)生較低的平均溫度。這意味著，連續(xù)基通道設(shè)計在高流速條件更有效。散熱性能的評估不僅需要以平均溫度為基礎(chǔ)，而且還需要溫度分布均勻度。作為一個溫度均勻的措施，溫度分布在不同的冷卻水流速的標(biāo)準(zhǔn)差定義為Eq，（12），進行了比較。正如圖6，所有通道的設(shè)計，分布更加均勻，冷卻</p><p>　　

35、圖7（a）直線的設(shè)計（b）在不同的雷諾數(shù)連續(xù)基設(shè)計的壓降。圖8 （a）直線設(shè)計（b）盤繞在基地設(shè)計不同熱通量條件的平均溫度。</p><p>　　水流量增加。此外，與這里考慮的全部流速范圍（見圖6a）的其他設(shè)計相比，連續(xù)基通道設(shè)計溫度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差較低（參見圖6b）。這表明，盤繞底座設(shè)計比其他設(shè)計產(chǎn)生更均勻溫度分布。值得注意的是與內(nèi)進口/出口設(shè)計的盤繞，，在更高的速度有更均勻的溫度分布，但使得在較低的速度下更不

36、均勻。</p><p>　　直線通道設(shè)計之中，蛇形通道產(chǎn)生更均勻的溫度分布，如圖6A。此外，波浪和斜翅式通道設(shè)計，在更高的速度時溫度的分布比平行通道更均勻，但在較低的速度比那些平行通道更不均勻。這提供了明確的證據(jù)，斜翅式和波浪渠道也更有效地應(yīng)用于高流量時，尤其是如果溫度均勻性更大，盡管其溫度分布均勻仍然遠遠低于連續(xù)基的通道設(shè)計。 </p><p>　　保持在最低的壓降有利于減少散熱管理的經(jīng)

37、營成本;何處應(yīng)該能夠保持低和均勻的溫度，壓力降低到最低限度，同時保持一個良好的渠道設(shè)計。連續(xù)基通道的設(shè)計，如圖7所示。要求最高的壓降來帶動流量;這可以從通道內(nèi)的更復(fù)雜的流動模式預(yù)期。蛇形通道的壓降比連續(xù)基通道低（~10％），但它仍然比平行，斜翅式和波浪渠道高一階幅度。斜翅片通道內(nèi)獲得最低的壓降，其次是平行和波浪渠道。我們注意到，如果流通道不分裂，即連續(xù)基和蛇紋設(shè)計，所需的壓降比冷卻液流量分裂被迫流入較長的段落高得多。此外，壓降與雷諾數(shù)之

38、間的特點已經(jīng)確定;連續(xù)基和蛇紋通道的斜坡比平行，斜鰭和波狀渠道陡。 就系統(tǒng)中的傳熱性能和壓降，引入“優(yōu)異圖”的概念來評價以泵浦功率為單位的熱傳輸性能的有效性。表3顯示了不同雷諾數(shù)各種渠道設(shè)計的優(yōu)點的計算數(shù)字。據(jù)發(fā)現(xiàn)，除了從高熱量的傳輸速率和更均勻的溫度分布，連續(xù)基的通道設(shè)計，具有優(yōu)異的數(shù)字較低，這是由于連續(xù)基渠道要求最高的壓降（見圖7）。</p><p>　　圖9溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差（a）直線設(shè)計(b)不同熱量

39、下的連續(xù)基設(shè)計 </p><p>　　圖10壓降（a）直線設(shè)計(b)不同熱量下的連續(xù)基設(shè)計</p><p>　　其次是蛇形通道在高雷諾數(shù)具有的數(shù)字略高的優(yōu)點，但它提供了更高的非均勻溫度。平行，波浪，和斜翅的渠道，另一方面，由于其較低的壓降，相比那些盤繞和蛇形通道，擇優(yōu)給予更高的數(shù)字，高達約一階幅度。據(jù)悉，在所有雷諾數(shù)下，斜翅通道提供了優(yōu)異的最高數(shù)字，緊跟波紋通道和并行通道。</p&g

40、t;<p>　　當(dāng)設(shè)計散熱片，然而，謹(jǐn)慎平衡和必須考慮到傳熱性能泵浦功率。如果性能和均勻性最有利，例如芯片冷卻，冷卻板可以考慮連續(xù)基設(shè)計。然而，如果泵浦功率是主要制約因素，例如燃料電池冷卻，斜翅式通道設(shè)計可能有潛力有待進一步優(yōu)化設(shè)計后使用。4.3 熱通量的影響</p><p>　　到目前為止，模擬電子設(shè)備產(chǎn)生的熱通量已設(shè)置為，發(fā)現(xiàn)在燃料電池和低熱量密度電子設(shè)備這是一個典型的情況。直觀地，隨著熱通

41、量的提高溫度預(yù)計將增加，如圖8所示。在這里，發(fā)現(xiàn)平均氣溫值在所有流道測試設(shè)計中與符合規(guī)定的熱通量是成正比的。恒定的坡度，，觀察所有通道的設(shè)計，不論在規(guī)定的熱通量。對于每個流道設(shè)計，連續(xù)基，蛇紋，和波浪的渠道給予較低平均氣溫，沒有顯示可辨別的差異，而并行通道的設(shè)計，在斜翅通道之后給出了最高的平均氣溫。</p><p>　　著手均勻的溫度分布，如圖 9，溫度均勻度也與符合規(guī)定的熱通量成正比;盡管平均氣溫和每個流道設(shè)計

42、的溫度均勻秩序相比，略有不同的梯度。在這里，平行通道表現(xiàn)出最非均勻的溫度分布等。其次是波浪通道（約15％的差異），斜翅通道（~18％的差異），和蛇形通道，顯示高達50％的標(biāo)準(zhǔn)差的差異。發(fā)現(xiàn)連續(xù)基通道的設(shè)計，坡比別人低。因此，溫度分布更均勻，達到甚至更高的熱通量。此外，它指出的是內(nèi)部的入口/出口的連續(xù)基設(shè)計提供最佳的溫度分布均勻，特別是對高熱流條件。這主要是由于入口被放置在芯片中的位置，以使更多的淡水接觸芯片表面覆蓋較大的換熱面積，因此

43、，比較外進口/出口設(shè)計保持一個更均勻分布。這意味著內(nèi)部的入口/出口的盤繞設(shè)計應(yīng)用于高熱流條件下的電子冷卻可能有潛力。 作為工作流體的熱物理性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)，它是溫度的函數(shù)，它因此也是，評估熱通量條件影響流體性質(zhì)及其流體力學(xué)的一個籌碼。圖10顯示壓力下降在各種渠道設(shè)計所需的不同熱通量。據(jù)發(fā)現(xiàn)，在所有的情況下，壓降降低時熱通量增加。這是由于在較高溫度下的粘度下降，從而產(chǎn)生更高的熱通量。進一步檢查注意到，連續(xù)底座設(shè)計，??在相同的入口條

44、件，所需的壓降降低到13％</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] R.C. Chu, R.E. Simons, M.J. Ellsworth, R.R. Schmidt, V. Cozzolino, Review of</p><p>　　cooling technologies for computer p

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