Использование многопроцессорного компьютера для расчета теплового баланса в термоэлектрическом охладителе

• Автор: Гогричиани, Михаил Георгиевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 115 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава I. Постановка задачи

1.1. Описание элемента термоэлектрической охлаждающей батареи

1.2. Система уравнений и граничных условий для расчета теплового процесса в элементе батареи

Глава II. Метод решения полной системы уравнений

2.1. Описание численного метода

2.1а. Выбор начального приближения

2.2. Численное решение в полупроводниковых столбцах и Р

2.3. Аналитическое решение в воздушных и прилегающих к ним областях

2.4. Другой способ аналитического решения в воздушной и прилегающим к ней однородных областях
2.5. Итерационный алгоритм решения задачи
Глава III. Вычислительные ресурсы, используемые в расчетах
3.1. Общая структура МВС М
3.2. Сетевые решения
3.3. Программное обеспечение
3.4. Общее программное обеспечение
Глава IV. Результаты численного моделирования
4.1. Анализ эффективности методики распараллеливания на основе сравнения скорости расчетов
4.2. Анализ характеристик производительности термоохлаждающей батареи
Заключение
Литература


Дополнительным термоэлектрическим эффектом в полупроводнике при прохождении через него электрического тока является поглощение или выделение так называемого «тепла Томсона». Суть данного явления в том, что различные участки термопары нагреты неодинаково, а потому их физические состояния также неодинаковы. Неравномерно нагретый полупроводник должен вести себя как система находящихся в контакте физически разнородных участков. На этом основании Томсон пришел к заключению и подтвердил его экспериментально, что не границах таких участков должно происходить выделение или поглощение тепла Пельтье. Такое тепло получило название тепла Томсона, а само явление - явления Томсона. Рис. С точки зрения электронной теории явления Томсона объясняется просто []. Рассмотрим полу проводник с электронной проводимостью. Пусть Г, >Г2, т. Возникнет электрическое поле Е, направленное от 1 к 2, т. Если по проводнику течет ток в направлении grad Т (т. Е будет замедлят! Если же ток течет в обратном направлении, то произойдет нагревание участка 1-2. В дырочном полупроводнике соотношения будут обратными (рис. Явление выглядит так, как если бы на обычные поток тепла, вызванный теплопроводностью, накладывался дополнительный поток тепла, связанный с прохождением электрического тока. В дырочных полупроводниках дополнительный поток тепла направлен в ту же сторону, куда течет электрический ток; в электронных направления электрического тока и тепла противоположны. Термоэлектрическая охлаждающая батарея, таким образом, представляет собой последовательность термопар, соединенных между собой таким образом, чтобы эффекты Пельтье на спаях и Томсона внутри полупроводниковых ветвей были отрицательными и усиливали друг друга, с целью охлаждения исследуемого объекта. Термоэлектрические охладители широко применяются в различных областях техники, в том числе в таких устройствах, где тенденция к миниатюризации налагает существенные ограничения как на размеры самих охладителей, так и на возможности отвода тепла от «горячих» спаев термоэлементов (см. При существенно ограниченном теплоотводе задачу расчета и проектирования термоэлектрических охладителей необходимо решать в комплексе с задачей о теплообмене с окружающей средой. Кроме того, значительное влияние на тепловое поле в микрохолодильнике может оказать тепловыделение на коммутациях, припоях, подводящих проводниках и т. В связи с этим аналитическое рассмотрение задачи оказывается неприемлемым ввиду чрезвычайной громоздкости получаемых при расчете выражений. Постараемся кратко проиллюстрировать основной существующий подход к моделированию полупроводниковых термоохладителей. Общие традиционные принципы моделирования полупроводниковых приборов приведены в работе []. Вначале приводятся основные уравнения ноля с соответствующими граничными условиями. Затем описываются эмпирические модели физических механизмов, определяющих работу приборов, например, подвижности, лавинного умножения носителей, сужения запрещенной зоны. Далее кратко излагаются различные численные модели, большинство из которых разработано за последние два десятилетия, и обсуждаются методы дискретизации и решения уравнений моделей. Приводится ряд замечаний по поводу взаимосвязи между методами конечных разностей и конечных элементов. Рассматриваются упрощенные численные модели, и подчеркивается их полезность для определенных приложений. На ряде характерных примеров наглядно показываются возможности численного моделирования полупроводниковых приборов. Наиболее распространенным подходом к описанию электрофизических процессов в полупроводниковых элементах является подход, основанный на использовании одночастичных функций распределения носителей заряда / - го сорта /,(/? К 'ГОЙ или иной долине или подзоне зоны проводимости и валентной зоны. В начале работы [] приводятся основные уравнения физических процессов в полупроводниковых приборах и граничные условия. Можно показать, что для полупроводниковых приборов с линейными размерами в несколько микрометров и меньше и в диапазоне частот до герц справедлива квазистатическая аппроксимация уравнений электрического поля. ЛГ = -? Я - результирующая скорость рекомбинации.