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摘要本文利用 Fluent软件对电子元件射流散热进行数值模拟，模拟了二文空间内以空气为冷却流体的电子元件散热的速度场和温度场。通过改变边界条件分析了射流速度、喷口数量、喷口直径以及喷口与电子元件的距离对电子元件散热的影响。结果表明增大射流速度、增加喷口数量、增大喷口直径和减小喷口与电子元件的距离都会会提升电子元件的散热效果。当射流速度增大到一定值的时候，电子元件最大温度变化很小，说明速度增加到一定程度时继续增加射流速度不会明显提高电子元件散热效果。27549
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毕业论文关键词 电子元件 散热 数值模拟 速度场 温度场
Title Numerical simulation of thermal process forelectronic componentsAbstractIn this paper, the thermal velocity and temperature field of the electroniccomponents of the cooling fluid are simulated by using the Fluent software.. Theinfluence of the distance between the jet velocity, the number of the nozzle, thediameter of the nozzle and the distance of the nozzle and the electron elementis analyzed by changing the boundary conditions.. The results show that thecooling effect of the electronic components can be increased by increasing thejet speed, increasing the number of nozzles, increasing the nozzle diameter anddecreasing the distance between the nozzle and the electron element..When the jetvelocity increases to a certain value of, the maximum temperature of electroniccomponents is very small, indicating that the speed was increased to a certaindegree to increase jet velocity was not significantly improve the cooling effectof electronic components.Keywords Electronic component Dissipate heat Numerical simulation Velocityfield Temperature field
目 次
1 引言1
1.1 研究背景1
1.2 研究现状1
1.3 本课题研究内容和方法3
1.4 本章小结4
2 空气射流计算4
2.1 几何模型5
2.2 无量纲参数5
2.3 控制方程6
2.4 求解方法及边界条件设定7
2.5 计算结果8
2.6 本章小结12
3 不同边界条件对散热的影响13
3.1 喷口速度对散热的影响13
3.2 进出口数量对散热的影响14
3.3 喷嘴距离对散热的影响21
3.4 喷嘴直径对散热的影响24
3.5 本章小结28
结论 30
致谢 31
参考文献 32
1.1 研究背景随着电子技术的发展，电子元器件组建的各种系统在各个方面起着非常重要的作用，如交通、通信、航空航天、军事武器系统等。由于电路的集成化程度不断提高，电子元件的热负荷也不断增大，使得单位体积容纳的热量也越来越多。高温会对电子器件的性能产生不利的影响，据统计，由于温度超过规定值引起的电子设备失效的概率高达55%。在电子产品中，工作温度对电子元件的影响非常重要，工作温度在 70℃-80℃的水平上，每增加 1℃，其可靠性下降 5%[1]，散热问题是限制电子产品发展的重要因素，因此电子元件的散热问题成了必须要解决的问题。电子元件的热设计在整个产品设计中占有越来越重要的地位，在系统的设计过程中要考虑有效的冷却技术，及时把电子元件散发的热量带走。本课题就是利用 Fluent 软件对电子元件散热进行数值模拟。1.2 研究现状电子器件的热设计包括选择合适的冷却方法，布置冷却剂流形及方向以及排列封装内的电子部件等。比较成熟的冷却方法主要有以下几类：自然冷却技术、强迫空气冷却技术、液体冷却技术、相变冷却技术、其他冷却技术（如热管，冷板等）。从冷却方式上看，电子器件冷却可分为被动及主动式冷却两种。前者的特点在于元件温度始终在环境温度以上，没有制冷机构，而后者则一定包含用以获取较低温度的制冷机构，从而可以将原件温度将至一个低于环境温度的水平上。毫无疑问，后者更有利于提高元件的工作性能，但其可靠性低于前者，并且需要更多的能耗，因而向环境排放的热量也就更多，而这部分热量最终还是需要采用被动式散热的方式排放到环境中。在所出现的传统散热方式的替代方案中，一般认为冲击射流和热管技术是其中最有前途的两种散热方式。热管是利用相变来强化换热的散热技术。随着技术的提高，大规模的工业生产，热管技术必将成为将来的主流散热方式。而冲击射流散热方式则拥有比传统的强迫对流大的多的散热能力，它亦被认为是一种解决高密度电子封装器件的散热问题的一种非常有潜力的方式。冲击射流与其它散热方式的结合将使得散热能力大大加强，从而有望在一定时期内解决电子行业散热能力不足的问题。冲击射流是指流体介质从一狭小区域喷射到一较大空间，然后冲击到固体壁面的流动方式。按照喷嘴型式可分为狭缝冲击射流和圆形冲击射流；按照介质类型可分为气体冲击射流、液体冲击射流和多项冲击射流。高速气流从直径为 d 的圆形喷嘴喷出后，冲击到固体壁面上，然后沿冲击壁面流出。其流场按流动特性可以分成三个特征区域：（1）自由射流区，又称主射流区，该区的流动特性与自由射流相同；（2）驻点区，在该区，流动方向发生改变，并且有很高的压力梯度；（3）壁面射流区，在该区压力逐渐恢复为静压，流动逐渐接近于平行壁面。数值模拟作为一种近代发展起来的认识事物规律的方法，与实验研究相比具有理想性、经济性、以及较高的可靠性而倍受学者及工程技术人员的青睐。到目前为止已发展成实验研究与数值模拟各执半壁江山的局面，在某些领域后者的应用广度和深度甚至超过了前者。对于射流这样一种有着复杂流动传热特性的流动类型，数值模拟无疑一种较好的研究方法。它可以消除各种非理想边界条件带来的误差，从而纯粹地分析某种或某些参数的影响。李长庚[1]等人研究了微小孔径和低雷诺数空气冲击射流的换热特性。通过实验研究了孔径三种的微小孔径圆形单孔平板受限冲击射流、两种不同形状排布的圆形多孔受限射流及斜射流的换热特性。实验结果表明空气冲击射流的散热效果与传统散热方式的散热效果相比优势更明显。钱吉裕[2]等人研究了冲击角对流射强化换热的影响。结果表明，相同喷射速度条件下，对流换热系数随射流角度的减小而增加，角度为 0 度时达到最大，但缺点是是射流角度减小会造成喷嘴等部件的压力损失。辛晓峰[3]等人提出了一种高速空气射流冷却方法，并进行仿真实验研究。有效的解决了高集成电路模块的热设计问题，为电子元件散热问题提供了新的方法。于淼[4]等人研究了射流冲击冷却系统实验性能，对一闭式射流冲击冷却系统的循环冷却性能进行了实验研究，讨论了喷射压差和循环流量对冷却循环系统性能的影响。实验结果表明，对于射流液体喷射状态，当喷射压力较小时，液击区域的射流液体不发生离散，仍然是连续流动，覆盖在传热表面。当喷射压力增加时，液体出现飞溅，飞溅的液滴从液击区域开始离散化。离散程度随着喷射压力的增加而增强。大量飞溅出的液滴使液滴与气体介质之间的传热传质过程增强，换热效果因此增强。马迎曙[5]根据空气对热源的射流冲击原理，针对电子设备的芯片散热设计了空气射流冷板，对影响冷板换热系数的主要因素进行了模拟计算。优化了设计模型，并对两种冲击孔径的冷板试验件进行了试验研究。涂福炳[6]等人用 3个不同肋高的矩形柱鳍热沉对空气射流冲击矩形柱鳍热沉进行传热特性的实验研究，计算出空气射流冲击下的换热系数。罗小兵[7]等人提出了一种基于封闭微喷射流的高功率 LED 主动散热方案，系统采用一个微泵来驱动，依靠封闭微喷系统实现大功率发光二极管(LED)芯片组的高效散热，实验有效的解决了 LED 的散热问题。李德睿[8]进行了射流冲击冷却的模拟与实验和喷雾冷却的模拟与实验对比分析，得到了设计的紧凑式射流冲击冷却系统的射流工质换热强度。田沣[9]对射流冷却基本原理进行了探讨,他认为以射流冷却为代表的冷却技术研究是未来电子设备面临的关键研究内容并具有广泛的应用前景。谭蕾[10]等人运用数值计算的方法对非均匀横流作用下冲击射流冷却的流动和传热过程进行了三文数值研究。揭示出射流冲击孔和横流孔相对排列方式、射流雷诺数和横流雷诺数相对大小、射流孔中心至横流孔出口截面距离等因素对冲击射流冷却流动传热特性的影响。结果表明：若保持总的冷却流量不变。当横流雷诺数与射流雷诺数之比等于或大于 0.5 后，有横流时的冲击射流冷却局部努塞尔数比无横流时有较为显著的下降；在非均匀的横流作用下，对于叉排和顺排方式,由于射流和横流的相互作用，壁面温度分布呈现出复杂的特征；射流孔和横流孔呈顺排布置时，峰值努塞尔数所对应的射流驻点区向下游偏移。将空气射流冲击射流与热沉结合进行散热至少具有以下几个优点： （1)强大的散热能力。无论是单独的热沉散热或者单独的空气冲击射流散热，都无法满足大功率芯片大量散热的需求；（2）与芯片不直接接触，减少了对芯片材料的损耗。这主要是对单独的冲击射流装置而言的；（3）具有较高的性价比。空冷是最经济、最可靠的散热方式之一，因此，与同级别散热能力的其他散热方式相比，空气冲击射流与热沉结合的散热方式具有很好的开发价值。最常见的方式有空气冲击射流与平板鳍片热沉、多孔介质热沉、方形柱鳍热沉甚至还有微通道热沉结合起来进行研究。
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