Моделирование процессов гидродинамики и теплообмена в микроканальных элементах систем охлаждения электронной аппаратуры

• Автор: Шматов, Дмитрий Павлович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 161 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ И ПОДХОДОВ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
1.1 Системы тепловой защиты поверхностей от действия теплового потока
1.2 Подходы к созданию и моделированию систем охлаждения на основе пористых и микроканальных теплообменников
1.3 Теоретические предпосылки
1.4 Выводы и задачи исследования
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В ПТЭ С УЧЕТОМ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
2Л Гидродинамика течения охладителя в ПТЭ при переходных режимах работы систем охлаждения
2.1.1 Постановка задачи
2.1.2 Течение охладителя с учетом пульсаций в клиновидном ПТЭ
2.1.3 Начальная стадии фильтрации в пористой стенке
2.1.4 Начальная стадия фильтрации маловязкого охладителя в угловых областях
2.1.5 Алгоритм расчета, структура программы и визуализация процесса в среде МаШаЬ
2.2 Разработка ЗБ математической модели теплообмена и гидродинамики в ПТЭ на нестационарных режимах
2.2.1 Постановка задачи
2.2.2 Методика расчета гидродинамики и теплообмена при переходных процессах в угловых областях
2.2.3 Анализ полученных результатов
2.3 Выводы
3 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ ПТЭ И МКТЭ
3.1 Выбор основания для теплообменника с пористыми вставками
3.2 Определение геометрических размеров пористого ребра компактного теплообменника
3.3 Теплогидравлический расчет пористой вставки образующей прямоугольные каналы
3.4 Теплогидравлический расчет матрицы нитевидных монокристаллов крмния
3.5 Выводы
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В ПТЭ И МКТЭ
4.1 Описание экспериментальной установки
4.2 Экспериментальные модели

4.2.1 Конструкция и принцип работы пористого теплообменника
4.2.2 Конструкция и принцип работы теплообменника на основе матрицы нитевидных кристаллов
4.2.3 «Тестовые» теплообменники
4.3 Методика проведения эксперимента и обработка опытных данных
4.3.1 Алгоритм проведения экспериментальных исследований
4.3.2 Технические требования и метрологическое обеспечение проведения экспериментальных исследований
4.3.3 Методика планирования эксперимента
4.4 Основные результаты экспериментальных исследований и испытаний. Практическое использование
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
<9 - вектор скорости; р - давление, Па;
- текущее время, с; со - частота пульсаций, Гц;
П - пористость элемента;
Я -коэффициент теплопроводности охладителя, Вт/м К); цт - коэффициент динамической вязкости охладителя, Па-с;
Т - температура, °С;
/ - энтальпия, Дж/кг;
индекс с - указывает на свойства пористого каркаса;
11е = 0(Д/а)/рох - критерий Рейнольдса;
а, (3 - вязкостный и инерционный коэффициенты сопротивления пористой
матрицы, м , м ;
ам - коэффициент проницаемости, м2; р - плотность охладителя, кг/мъ ; х, у - прямоугольные координаты, м;
Эх - проекция скорости фильтрации на ось X, м/с;
3 - проекция скорости фильтрации на ось У, м/с;
Лэф - эффективный коэффициент теплопроводности пористой Вт
среды,

сох - теплоемкость охладителя,
кг-К
vox - кинематический коэффициент вязкости охладителя, м2/с; рох - коэффициент динамической вязкости охладителя, Па-с; и с
рг = ох _ КрИтерИй Прандтля;

ТОА - теплообменный аппарат;
ЩЭ - пористый теплообменный элемент;
МКТЭ - микроканальный теплообменный элемент,
МКТ - межканальная транспирация, ТОА - теплообменный аппарат.

толщина кремниевого слоя 20 мкм
толщина оксидного слоя 10 мкм
Микроканалы
толщина слоя канала 400 мкм
количество каналов
геометрия канала 700 (ширина)хЗОО (глубина) мм
Расход жидкости 15 мл/мин
Температура охладителя на входе 70 °С
Давление на выходе 0,3 бар
Результаты исследования показывают, что для оптимальной конфигурации системы охлаждения при использовании микроканалов является управление тепловой мощностью в выходных областях при снижении перепада давления двухфазного потока вблизи высоких тепловых потоков. Численные результаты расчетов представлены на рисунке 1.33.
В [119] представлена математическая модель парообразования в пористых структурах с малыми размерами пор. Модель содержит уравнение теплопроводности скелета пористой структуры, уравнение энергии потока теплоносителя, уравнения фильтрации жидкости и пара и может быть использована для структур с любым законом распределения пор по радиусам. Модель носит универсальный характер и может быть использована для любых случаев подвода тепла и отвода теплоносителя, различие состоит только в виде граничных условий. Приведены примеры результатов расчетов и их анализ.
В работе [120] рассмотрены вопросы влияния параметров пористого материала на массовые характеристики пористых трактов для рекуперативных теплообменников с однофазными теплоносителями. Разработаны алгоритмы оптимизации трактов. Рассмотрена многопараметрическая оптимизация пористого тракта. Обосновано существование экстремумов при оптимизации трактов по пористости и толщине пористой пластины для частных задач теплообмена.
В работе [121] приводятся описания экспериментальных установок и методика проведения исследований гидродинамики и нестационарного теплообмена в пористых компактных теплообменниках (ГЖТ). Предложена новая конструкция системы тепловой защиты плазмотрона с использованием пористых элементов различных конфигураций. На основе проведенных опытов определены оптимальные характеристики ГЖТ, резервы повышения эффективности работы плазмотрона.
Авторами [122] представлена математическая модель гидродинамики течения охладителя в пористом элементе, учитывающая геометрию внешних границ. Рассмотрены пористые элементы с разнесенными коллекторами разного типа, произведен вычислительный эксперимент, определено распределение полей давления и скорости в пористом элементе с криволинейной границей.
В работе [123] представлены экспериментальные данные по исследованию теплоотдачи и гидродинамики потока в каналах с вставками из высокопористого