微针肋热沉流动可视化及传热特性研究

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1、中文图书分类号：TK124密级：公开UDC：621.1学校代码：10005硕士专业学位论文PROFESSIONALMASTERDISSERTATION论文题目：微针肋热沉流动可视化及传热特性研究论文作者：杨宇辰专业类别/领域：动力工程指导教师：夏国栋教授陈伯爽高级工程师论文提交日期：2017年4月UDC：621.1学校代码：10005中文图书分类号：TK124学号：S201405112密级：公开北京工业大学硕士专业学位论文（全日制）题目：微针肋热沉流动可视化及传热特性研究英文题目：THESTUDYOFFLOWVISUALIZATIONANDHEATTRANSFERCHARACTERISTI

2、CSINMICRO-PINFINHEATSINKS论文作者：杨宇辰学科专业：动力工程研究方向：能源动力系统优化及工程应用申请学位：硕士专业学位指导教师：夏国栋教授陈伯爽高级工程师所在单位：环境与能源工程学院答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学DissertationSubmittedtoBeijingUniversityofTechnologyforMasterDegreeofEngineeringTHESTUDYOFFLOWVISUALIZATIONANDHEATTRANSFERCHARACTERISTICSINMICRO-PINFINHEATSINKSYangYuchen

3、SupervisedbyProfessorXiaGuodongMajorinPowerEngineeringBeijingUniversityofTechnologyMay，2017独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：杨宇辰日期：2017年5月15日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留

4、、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：杨宇辰日期：2017年5月15日导师签名：夏国栋日期：2017年5月15日摘要摘要随着科学技术的快速发展，诸如太阳能电池板、半导体激光器、计算机主芯片、制导雷达等先进设备的热负荷越来越大，瞬态热流密度越来越高。受换热面积的限制，传统冷却技术已无法满足众多先进系统在热设计、管理和控制方面的需求。为解决高热流密度微型设备的散热问题，微针肋热沉应运而生。微针肋热沉具有比表面积大、结构紧凑、换热效率高等优点

5、，获得了国内外学者的广泛关注。为了深入研究微针肋热沉的强化传热机理，本文设计并加工了多种复杂结构的微针肋热沉实验件，利用CFD数值模拟软件、Micro-PIV流场可视化实验系统、单相流动与传热测试实验台，对不同微针肋热沉的流动和传热特性进行了模拟和实验研究，并对微针肋热沉进行了结构优化。首先，利用二次模塑成型工艺加工叉排圆形、水滴形、不同尾角的菱形微针肋阵列，用Micro-PIV系统对流体横掠微针肋阵列的流场进行了可视化实验，并对相同结构的微针肋热沉进行数值模拟。结果表明，Re=20时，不同结构微针肋阵列中的流动保持稳定；Re=140时，在尾角为90°的菱形微针肋和纵向间距为0.44μm的

6、圆形针肋尾部开始出现对称的漩涡；Re=275时，在尾角为60°的菱形微针肋的尾部，流线出现不稳定摆动；在75≤Re≤275的范围内，尾角为45°的菱形微针肋与尾角为60°的水滴形微针肋尾部始终没有出现漩涡，证明针肋的尾部结构可以有效抑制边界层分离和漩涡的形成。进而结合数值模拟结果对相同结构的微针肋热沉进行流动和传热特性分析，发现尾角为60°的水滴形微针肋热沉的底面温度最低，流线形的外形使其形阻较低，尾部结构降低了压力损失，通道压降最小，相同泵功下热阻最小；尾角为45°的菱形微针肋热沉的尾部结构抑制了漩涡的形成，减小了压力损耗，在菱形微针肋热沉中压降最小、热阻最小。其次，利用数值模拟的方法，

7、对不同热流密度及不同孔隙率的直径为200μm的圆形微针肋热沉的流动和传热特性进行了研究。结果发现不同孔隙率下，热流密度对流型的影响有区别，进而影响热沉的Nu数。孔隙率为0.743时，较小的针肋间距抑制了漩涡的生成，流体扰动减弱，抵消了因热流密度升高导致的流体粘度降低，壁面效应降低带来的强化传热效果。孔隙率为0.836时，随着热流密度升高，针肋尾部的涡加速形成，加强了通道内流体的混合和扰动，带来相对较为明显的强化传热效果，