微针肋热沉结构优化及Micro-PIV系统下单相与两相可视化研究

论文摘要

随着微电子技术的迅速发展，先进设备与器件的热负荷不断提高，传统冷却器的设计与制作已经无法满足现代技术飞速发展的要求。伴随着微加工技术的日臻完善，使更为复杂的微通道热沉进入国际传热学界的研究视野。同时微尺度流动测试技术也成为国内外研究的焦点。本文研究内容主要包括两大部分：不同结构微针肋热沉流动与传热特性；微尺度单相及两相流场测试技术。第一部分内容，本文主要提出了长菱形微针肋热沉及组合式微针肋热沉。在研究过程中，加工了硅基长菱形微针肋热沉，并对其流动与换热性能进行了实验研究和数值模拟。结果显示：在实验Re数范围内，长菱形针肋的换热系数随Re的增大而增大。相同Re数下，热流密度对换热系数的影响较小。热阻随泵功的增加不断降低；在泵功较小时，热阻降低的速度较快；当泵功增大到一定值时，热阻的变化趋势趋于平缓。在一定的泵功下不同热流密度之间的总热阻值并没有太大的区别，Nu随着Re增大均增大。与同样尺寸圆形、菱形针肋相比，45o长菱形针肋具有较好的的换热性能，可以避免针肋尾部涡脱落造成的阻力损耗，同时长菱形针肋尾部延伸拓展了换热面积并扩大固体导热区，从而提高换热效果。对于组合式微针肋热沉，采用数值模拟进行强化传热研究。流场中加入以一定冲角布置的三角小肋可以有效强化换热，且不同的冲角所产生的强化换热效果不同。结果表明：所设计的4种布置方式的微针肋，在相同Re，冲角越大，压降也越大，平均Nu也越大，因此存在一个最优化角度布置即冲角为30°时，可使强化换热效果达到最佳。组合式微针肋主要通过三角小肋的存在破坏边界层的发展，在圆肋尾部形成纵向涡，减小尾部回流，增强流场的扰动性和混和性，提高流场和温度场的协同性，使整体和局部的换热都得到极好强化第二部分内容，本文主要基于Micro-PIV流场可视化实验台，进行了单相流体横掠顺排圆形微针肋的流场测试及Y型进口微通道内液液两相混合流场测试。在研究过程中，加工制作了PDMS材质顺排圆形微针肋，并在小雷诺数下对其内部流场特性进行测试。结果表明：顺排圆形微针肋沿第1-2排针肋之间主通道方向流速呈周期性变化；在较小雷诺数下，涡量分布区域面积较小，涡量主要集中分布于沿着流向微针肋的左右两侧，且涡量强度大小相近；较小雷诺数下的涡量在与流动垂直方向的扩散能力大于较大雷诺数的涡量。对PDMS材质Y型进口微通道内液液两相流场进行可视化研究。结果表明：Y型通道中生成的液弹，形状规则，大小均一。液弹的形成经历了生长，冲刷，拉伸，脱落的过程。在恒定流量比下，Y形通道内液弹的轴向长度随连续相Ca数增大而减小；在恒定连续相Ca数下，Y形通道内液弹的轴向长度随流量比增大而增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的和意义
• 1.1.1 电子设备的散热问题
• 1.1.2 大功率半导体激光器的散热问题
• 1.2 现代微冷却技术原理与特征介绍
• 1.2.1 微热管技术
• 1.2.2 微通道冷却技术
• 1.2.3 微热电制冷技术
• 1.2.4 微喷流冷却与微喷雾冷却技术
• 1.2.5 微射流冷却技术
• 1.3 微针肋热沉的国内外研究现状分析
• 1.3.1 宏观尺度下流体横掠针肋热沉的研究现状
• 1.3.2 微尺度下流体掠过针肋热沉的研究现状
• 1.4 微尺度流场可视化研究现状分析
• 1.4.1 PIV微流场研究背景
• 1.4.2 Micro-PIV技术国内外研究现状
• 1.4.3 基于互相关的PIV图片处理技术
• 1.4.4 矢量正误判断及插值
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 MEMS微针肋热沉流动与传热实验装置及实验过程
• 2.1 实验装置
• 2.1.1 单相流体横掠微针肋热沉流动与传热测试平台
• 2.2 实验件加工工艺
• 2.2.1 热沉材料的选取
• 2.2.2 加热膜材料的选取
• 2.2.3 MEMS加工工艺
• 2.3 实验件结构尺寸与封装
• 2.3.1 微针肋热沉结构尺寸
• 2.3.2 微针肋热沉封装
• 2.4 流体横掠微针肋热沉流动与传热实验步骤
• 2.4.1 物理量的测量
• 2.4.2 阻力实验步骤
• 2.4.3 传热实验步骤
• 2.5 实验误差分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 流场可视化实验装置及过程
• 3.1 Micro-PIV系统工作原理
• 3.2 示踪粒子的应用
• 3.2.1 示踪粒子物性选择
• 3.2.2 示踪粒子浓度的选择
• 3.3 PDMS加工工艺及微针肋结构
• 3.3.1 PDMS加工工艺
• 3.4 实验系统设计与实验方法
• 3.4.1 实验原理概述
• 3.4.2 实验系统的软件和硬件构成
• 3.5 实验过程
• 3.5.1 流体横掠顺排圆形微针肋的实验步骤
• 3.5.2 Y型通道入口液液两相流场测试的实验步骤
• 3.6 实验结果处理
• 3.6.1 图像处理
• 3.7 本章小结
• 第4章 长菱形微针肋的流动与传热特性
• 4.1 长菱形微针肋单相流动与传热的数值模型
• 4.1.2 控制方程
• 4.1.3 流动及热边界条件
• 4.1.4 网格划分及无关性检验
• 4.1.5 流场及压降分析
• 4.1.6 热分析
• 4.2 长菱形微针肋单相流动与传热的实验研究
• 4.2.1 实验组成及内容
• 4.2.2 实验结果分析
• 4.3 传热特性分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 组合式微针肋热沉流动与传热数值分析
• 5.1 组合式微针肋数值模型及分析
• 5.1.1 物理问题及描述
• 5.1.2 数值模拟方法与数据整理
• 5.2 计算结果与讨论
• 5.2.1 不同倾角对压降及平均Nu数的影响
• 5.3 强化换热原理
• 5.3.1 局部Nu数分布
• 5.3.2 流场分布
• 5.3.3 温度场分布
• 5.4 本章小结
• 第6章 单相流体横掠顺排圆形微针肋流场可视化研究
• 6.1 PDMS顺排圆形微针肋
• 6.1.1 结构尺寸
• 6.1.2 测试方法
• 6.2 顺排圆形微针肋微针肋第 1-2 排三维速度场
• 6.3 顺排圆形微针肋内单相流动数值模拟与实验值对比
• 6.3.1 控制方程及边界条件
• 6.3.2 控制方程离散格式及迭代精度的控制
• 6.3.3 数值模拟计算区域与实验区域划分
• 6.3.4 不同雷诺数下针肋前端直通道进口处流速分布
• 6.3.5 不同流量下针肋之间沿主通道方向速度分布
• 6.3.6 不同雷诺数下涡量场分布
• 6.4 本章小结
• 第7章 Y型微通道内弹状流可视化研究
• 7.1 实验台及Y型微通道尺寸
• 7.2 弹状流
• 7.2.1 弹的生成与发展
• 7.2.2 弹内流速分布
• 7.3 弹长预测模型
• 7.3.1 不同工况下弹长与文献经验公式对比
• 7.3.2 液弹轴向长度Ld/w与连续相硅油Ca的关系
• 7.3.3 液弹轴向长度与水/硅油流量比Q之间的关系
• 7.3.4 液弹的生成频率与两液相流量比之间的关系
• 7.3.5 Y 形通道液液两相弹长关联式
• 7.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文和申请的专利
• 致谢