256通道超声相控阵仪器水冷冷板散热设计与数值模拟

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1、工程硕士学位论文256通道超声相控阵仪器水冷冷板散热设计与数值模拟作者姓名罗德章学科专业仪器仪表工程校内指导老师刘桂雄教授、博导校外指导老师纪轩荣高级工程师所在学院机械与汽车工程学院论文提交日期2018年1月Heatdissipationdesignandnumericalsimulationofwatercoolingcoldplatefor256channelsultrasonicphasedarrayinstrumentADissertationSubmittedfortheScienceDegreeofMasterCandida

2、te：LuoDezhangSupervisor：Prof.LiuGuixiongSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou，China分类号：TP216学校代号：10561学号：201521002591华南理工大学硕士学位论文256通道超声相控阵仪器水冷冷板散热设计与数值模拟国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ230575)作者姓名：罗德章指导教师姓名、职称：刘桂雄教授、博导；纪轩荣高工申请学位级别：工程硕士工程领域名称：仪器仪表工程论文形式；□产品研发工程设计√应用研究□工程/项目管理□调

3、研报告研究方向：精密检测与仪器仪表论文提交日期：2018年1月8日论文答辩日期：2018年3月9日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：王小辉委员：刘桂雄、薛家祥、洪晓斌、王振民摘要水冷冷板电子散热技术具有散热性能好、成本适中、基本无噪声振动等特点，发展潜力大。论文以“256通道超声相控阵仪器水冷冷板散热设计与数值模拟”为题，主要针对256通道超声相控阵仪器进行热设计，为仪器构建并研制一体化自循环水冷冷板散热系统，重点研究其中鳍翅柱顺序S状流道水冷冷板散热设计、数值模拟与试验验证、楔形微槽群棱柱形微冷板研究

4、等内容，以提高仪器工作可靠性与稳定性，为电子装备的散热技术发展提供实践参考，具有重要的学术价值与意义。论文工作得到国家重大科学仪器设备开发专项“新型超声相控阵仪器开发与应用”(NO.2013YQ230575)的资助。论文基于仪器散热技术、冷板散热技术两方面评述论文相关内容的国内外研究进展，指出目前国内外有关于单管S形流道与鳍翅柱相组合的经典大口径冷板结构的研究、有关于经典大口径冷板在实际商用精密电子仪器上应用的研究较少，微槽群微冷板结构特征变化型创新流道研究有待开拓等状况，提出热力学与水力学性能良好的鳍翅柱顺序S状流道水冷冷板结构与楔形

5、微槽群棱柱形微冷板结构，完成主要工作如下：(1)基于水冷冷板散热系统机理，为256通道超声相控阵仪器设计并研制一体化自循环鳍翅柱S状流道水冷冷板散热系统。建立热流固耦合数值模拟计算基本数学与物理模型，夯实数值模拟理论基础；给出冷板性能评价模型，为冷板的设计、优化与改进提供依据。(2)在相同边界条件下对256通道超声相控阵仪器的顺序S状流道水冷冷板与鳍翅柱顺序S状流道水冷冷板进行热流固耦合数值模拟性能对比，探讨鳍翅柱结构的性能特点。结果表明，相比于顺序S状流道水冷冷板：鳍翅柱顺序S状流道水冷冷板具有更好的热力学性能，且热源热流密度越大，入

6、水流速越小，其性能优势越明显；当热源热流密度为80W/cm2，入水流速为5m/s时，鳍翅柱顺序S状流道水冷冷板热源最大表面平均温度降低值、最大表面最高温度降低值、最大表面平均温度降低比例、最大表面最高温度降低比例分别可达21.778℃、25.063℃、21.5551%、22.9138%；鳍翅柱顺序S状流道冷板可以干扰涡流的流线轨迹，旋转流线矢量在鳍翅柱的作用下被阻断并得到二次发展，大涡流的形成得到有效遏制，加速了转角后流场的充分发展，有利于流场流线更为稳定有序。I(3)对比与分析微槽群微冷板中单层矩形流道结构、双层矩形流道结构、宽度收敛

7、型流道结构、楔形流道结构的热力学与水力学性能，结果表明：与SL-MCHS相比，Ω=0.6W下PW-MCHS全局热阻减少比例δ-RthMax=29.0%(纯铜基底为36.9%)；与DL-MCHS相比，Ω=1.5W下δ-RthMax=24.2%(纯铜基底为17.4%)；与WT-MCHS相比，Ω=0.3W下δ-RthMax=13.4%(纯铜基底为25.2%)；所提出的楔形流道结构可使热流密度为100W/cm2的热源表面温度维持在32.1℃~36.2℃范围内，将该楔形流道微槽群棱柱形微冷板应用于256通道超声相控阵仪器散热设计可行且高效。(4)

8、对鳍翅柱顺序S状流道冷板散热系统进行验证试验，结果表明：散热系统试验值与仿真值最大相对偏差不超过5%，验证了计算模型选择的合理性与有效性；对于256通道超声相控阵仪器极限热流密度36W/cm2，应用该散热系