微通道换热器拓扑结构优化与性能研究

换热器结构拓扑优化可将传热强化设计问题转化为数学优化问题进行求解,对于设计新颖高效换热器具有重要价值。然而,拓扑优化数学模型难以直接解释优化结果的几何特征及相应强化机理。以传热量为目标,对微通道换热器进行拓扑优化设计,研究了不同参数对换热器强化结构特征和换热器性能的影响。结果表明,拓扑优化换热器的通道结构呈现多级分叉构型,分叉的数量随着入口Reynolds数、翅片传热效率和流体Prandtl数的增大而增多。在此基础上,采用耗散和边界层理论分析了拓扑优化分叉通道与流体边界层厚度的内在联系,为换热器结构强化设计提供了新的思路。

TR组件内置微通道热沉的电热力综合设计

为了设计出满足TR组件实际应用的硅基微通道热沉,采用数值模拟方法分别研究了硅基微通道热沉的接地性能、散热性能和耐压性能,并基于仿真结果确定了硅基微通道热沉的关键尺寸和接地方式。研究表明,硅基微通道热沉的外形尺寸为10 mm×10 mm×0.725 mm,散热流道槽宽30 μm,槽深200 μm,导热衬底厚度150 μm时,可满足频段为2~6 GHz、输出功率为44.40 dBm以上的 TR组件应用需求,散热能力达到600 W/cm^(2),并可耐受2.5 MPa的流体压力。

某微通道液冷板的结构设计与优化分析

这里以某雷达T/R组件的液冷散热为研究对象,提出了一种新型两进两出U型微通道液冷冷板设计。在保证计算机模拟参数不变的条件下,利用ICEPAK数值模拟的方法,通过分析比较仿真结果,对原单层支流道的冷板进行结构优化,引入双层微通道支流道设计理念。同时,对这两种总体方案进行试验验证,试验结果与ICEPAK仿真结果基本一致。研究结果表明:双层微通道流道的引入显著改善了冷板的散热性能;综合分析液冷板散热效果和进出口冷却液压差,最终选定双层梯形微通道流道设计方案。

单侧内肋阵微通道复合热沉构形优化设计及遗传算法比较分析

[目的]旨在通过构形优化设计提高电子设备的热管理技术水平。[方法]在约束肋片体积占比和相对位置的条件下,建立微通道复合热沉的三维流动和传热数值模型,以热沉固体区域温度梯度均匀性因子最小化为目标,分别采用穷举法和遗传算法对肋片高宽比h/w及肋片间距ε进行构形优化设计。[结果]结果显示,采用穷举法和遗传算法均能得到热沉固体区域温度梯度均匀性因子的最小值以及对应的最优构形,且温度梯度均匀性相比无肋微通道热沉,最高可提高13.30%;采用穷举法和10种配置遗传算法方案所得目标函数最小值之间的误差最大不超过0.92%。[结论]所做研究可为电子设备散热器的研发提供新的优化设计结果。

超临界CO_(2)微通道换热器研究进展

在“3060双碳目标”背景下,能源高效输运与合理利用是实现碳中和的重要路径之一,而换热器在能量输运与转换中的作用至关重要。相较于传统换热器,微通道换热器在维持同等换热能力的同时,大幅减小了体积,极大提高了传热效率,在很多重要领域均有应用。超临界CO_(2)(S-CO_(2))发电系统、跨临界热泵和制冷系统等因环境友好和效率高等优势,在“双碳目标”背景下具有重要的应用前景。S-CO_(2)物性剧烈变化以及系统对高温高压的要求,对换热器设计、耐高温高压、高紧凑和高效率都提出巨大挑战,成为科学界和工业界研究的热点话题,且近几十年相关研究也取得了重要进展。为了全面回顾微通道换热器在S-CO_(2)系统中的研究进展,本文从S-CO_(2)的传热流动特性出发,分析了管内S-CO_(2)换热的影响因素与现有微通道换热器对S-CO_(2)系统的适用性。重点论述了印刷电路板式换热器(PCHE)不同结构形式及设计优化方法,最后讨论了PCHE的优化对整个S-CO_(2)系统的性能提升的影响。本文对S-CO_(2)微通道换热器进行了全面的论述,可为以CO_(2)或其它超临界工质为媒介的能源动力系统换热器的选型、设计和优化提供重要参考。

波纹壁树状微通道圆盘热沉的构形设计

[目的]为了满足船舶与水下航行器等对电子器件高效热管理的需求,开展波纹壁树状微通道圆盘热沉的构形设计研究。[方法]提出波纹壁树状微通道圆盘热沉的设计原型,基于构形理论,在给定热沉体积和液冷微通道体积的约束条件下,以综合考虑传热和流动压降的复合性能指标(PEC)最大化为目标,对波纹壁的振幅和波长进行构形设计。[结果]结果表明:与直通道热沉相比,波纹壁能增大换热表面积,且凹穴处能够产生涡,因而能够有效降低最高温度。当入口雷诺数为700,900或1100,增大波纹壁的振幅时,热沉最高温度降低了13.5 K,但是压降损失明显增大;减小波纹壁的波长,热沉最高温度降低了4.7 K,压降损失增幅较小;在给定波长较大时,均存在最优振幅使复合性能指标取得极大值;在给定波长较小时,随着振幅的增加,复合性能指标单调递增。[结论]波纹壁能够显著提升树状微通道圆盘热沉的传热性能。通过构形设计能够获得复合性能最佳的最优几何结构。

跨临界CO_2汽车空调微通道气体冷却器的设计开发

基于平均温差法,调用REFPROP7.0确定超临界CO2剧烈变化的热物性,采用迭代方法对紧凑式微通道气体冷却器进行设计。选用近期发表的两个超临界CO2管内换热计算关联式进行设计计算,结果表明二者对气体冷却器的设计影响不大;CO2侧压降计算表明压降很小。文章阐述了有关试制工艺。

热电制冷液体冷却散热器的实验研究

旨在开发一种新型热电制冷液体冷却装置，解决微电子设备芯片超频运行后的冷却问题。通过搭建实验测试平台，对该新型冷却装置在不同热通量、不同工况以及热电制冷器（TEC）在不同工作电压下的传热性能进行了实验研究。研究表明，限定热源表面温度（65℃）时，该散热器在实验风速7～13m·S-1的条件下，最大散热能力可达45_2W·cm-2。，装置最低总热阻为0．107℃·W-1；当热通量为28．5W·cm-2。、风速为9m·S-1和13m·S-1时，TEC工作在最佳电压值下，使热源表面温度分别降低4．0℃和4．6℃。实验结果同时表明，新型热电制冷液体冷却装置的制冷性能与TEC工作电压相关，当热通量为28．5W·cm-2。、风速为9m·s-1。和13m·s-1’时，最佳工作电压分别为28V和32V。

SOR微型混合器的设计及实验研究

为实现微尺度条件下流体的均匀混合,按层流混合原理设计了一种三维结构的新型静态微型混合器.通过在微通道内设置周期交叉排列的导流块,在轴向的压力梯度作用下产生横向的流动,从而在微管道内产生对流体的搅拌作用,达到促进混合的目的.运用计算流体动力学方法分析了静态微型混合器内速度场的分布规律,阐述了发生混合的机理.采用罗丹明染料与去离子水的混合试验检测该微型混合器的混合性能,同时分析了微型混合器的混合效果与结构参数、雷诺数的关系.混合试验表明,交叉导流式Ⅱ型(SOR-Ⅱ)微混合器在低雷诺数和高雷诺数条件下都可以获得好的混合效果,而交叉导流式Ⅰ型(SOR-Ⅰ)微混合器只能在高雷诺数条件下获得好的混合效果.

微通道散热器新型通道设计及性能分析

微电子设备的发热问题严重影响着其可靠性,散热器的热设计已成为微电子设备结构设计中不可忽略的一个重要环节。微通道散热是近年来发展起来的一种新型散热措施。设计了多种新型的微通道散热器结构,并利用数值方法研究了新型微通道结构散热性能及微通道内流体的流场分布情况。研究结果表明,新型微通道散热器增大了换热比表面积,具有较好的散热效率。菱形肋微通道(导流角度120°)的散热效率改善的尤为明显。各新型微通道靠近壁面的死区较少,流体与通道的接触面积也更多,因而换热效果较好。尤其是菱形肋微通道(导流角度30°)内的流场分布更为均匀。

基于CFD数值模拟的新型撞击流反应器内管开孔优化

基于自主设计的同轴撞击流反应器,运用计算机流体力学(CFD)数值模拟技术对内管开孔进行了优化设计。首先通过单因素试验确定了反应液在内外管入口处的速度比例,在此基础上,分别以开孔排数N、内管轴向孔间距L、内管径向开孔个数n及开孔直径D为试验因素,设计正交试验。对每组试验进行数值模拟,以距入口顶端不同距离处微孔的速度均方根差为评价指标,得到内管开孔的优化设计方案为:反应器内管沿轴向均匀开设6排微孔,每排微孔间距为12mm,径向均匀开设5个微孔,孔径均为0.5mm。基于正交试验的优化结果,对模型进行重新定义并对其环形微通道反应区内的流场结构进行数值模拟分析,结果表明:开孔处产生的撞击束均有较高的速度梯度,并且反应液在环形微通道反应区内发生强烈撞击,并发生充分混合与反应,实现了内管开孔的最优化设计。

CO_2汽车空调用微通道换热器设计的若干技术

紧凑式换热器的使用在很大程度上制约着CO2 制冷剂在汽车空调制冷装置上的应用。本文结合跨临界循环原理、换热器内的传热特性、微通道换热器设计的思想、微通道和CO2 的特点 ,在换热器尺寸的确定、设计负荷估算依据、材质选取。

基于仿生学的强化传热与减阻技术研究进展

换热器优化设计对于提高设备能源利用率、缓解化工电力、航空动力等工业领域的能源短缺与余热浪费等问题具有重大意义。近年来,基于生物体表面形貌及其具备的功能,运用仿生学理论开发强化传热与流动减阻技术表现突出。本文主要综述了以仿生结构为优化设计参考,有关单相、相变强化传热以及沟槽、凹坑凸包、超疏水等流动减阻技术的研究进展,分析和总结了各类仿生结构的强化传热及减阻机理;结合微尺度高效传热的发展趋势,指出目前微尺度仿生结构研究仍停留在简化形仿阶段,结构优化方向不明确,结构参数影响规律以及传热减阻机理未有统一定论。基于微尺度对流传热高阻耗特点,本文提出了高效低阻耦合仿生结构设计以及综合性能研究的必要性,为微通道换热器优化设计提供有益指导与发展方向。

高热流密度芯片冷却用微槽道热沉的优化及数值模拟

分析了高热流密度芯片的冷却要求,对微槽道热沉的优化设计和数值模拟进行了研究.优化结果表明,矩形微槽道热沉的冷却效果最好,微槽道的宽度和槽栅的宽度分别为125μm和50μm,相应的热阻为8.252 K/W.数值模拟结果表明,芯片最高温度为360.482 K,优化的微槽道热沉完全可以满足高热流芯片对温度的要求.

选通电脉冲宽度和幅度对微通道板选通软X射线皮秒分幅相机时间分辨的交互作用

微通道板(MCP)选通软X射线皮秒分幅相机(XPFC)的动态时间分辨率是其重要的性能指标之一.通过基于均匀设计分析法建立的MCP-XPFC的动态时间分辨率回归方程着重分析了选通电脉冲的宽度和幅值对MCP-XPFC的动态时间分辨率的交互影响.在选通电脉冲V1(t)(250ps,1200V)和V2(t)(170ps,1400V)的作用下,利用MCP-XPFC的选通理论模型、均匀分析法回归方程、以及飞秒激光系统分别对相机的动态时间分辨率进行了理论计算和实验测试,并对结果误差进行了分析.对于250ps的选通脉冲适合的电压范围约为800～1200V,而对于170ps的选通脉冲适合的电压范围为1100～1200V.

大功率激光二极管列阵的硅基微通道热沉研制

为了提高大功率激光二极管列阵的散热效率以便提高其寿命和波长稳定性,研制了一种封装集成度较高的屋脊式硅基微通道热沉。将田口稳健设计方法用于微通道热沉的优化设计,利用正交试验和信噪比分析实现了参数的稳健优化。以(110)单晶硅作为基片,采用KOH各向异性刻蚀和硅-玻璃-硅三层阳极键合方法制作出了通道宽度约为50μm的微通道热沉,通道壁面粗糙度优于0.1μm。采用激光二极管芯片对样品进行了封装和测试,利用砷化镓激光波长的温度漂移系数估算出了中间激光二极管的有源区温升,从而计算出了热沉的热阻。测试结果表明,该微通道热沉的单位面积热阻约为0.070 cm2.K/W,与有限元分析结果基本一致。

紧凑式微通道蒸发器设计的理论探讨

机动车辆、航空以及低温制冷技术领域中紧凑式微通道蒸发器的研究开发已成为当今的热门之一.本文从紧凑式微通道蒸发器内的传热、换热量的估算和设计时理论限制方面进行了讨论.指出对于微通道沸腾换热的传热机理等的研究对工程设计和应用来讲还没有形成合适的技术指导依据,蒸发器尺寸、通道直径、数目、通道长度、换热效率以及泵功率之间是相互制约的.

微通道热沉的稳健优化设计

将田口稳健设计方法用于硅基微通道热沉的优化设计,建立了微通道热沉的简化性能分析模型,确定了影响其散热性能的关键参数,利用正交试验和信噪比分析实现了参数的稳健优化。利用外部监控程序对CAD和CAE软件的脚本进行动态修改,并且创建专门的进程来执行修改后的脚本,采用共享文件和延时的方法实现主进程、几何建模进程和性能分析进程的同步运行,实现了稳健设计过程的自动化。

微槽冷却热沉结构尺寸的优化设计

以热阻和压降作为2个目标函数建立了微槽冷却热沉的多目标优化模型,采用序列二次规划(SQP)方法对微槽的结构尺寸进行了优化设计。优化结果表明:微槽冷却热沉的结构形状对传热性能有很大的影响,与三角形和梯形结构相比,矩形微槽结构的传热效率更高。给出了2种加权系数情况下的优化尺寸,相应的微槽宽度分别为130μm和120μm,槽栅的宽度分别为176μm和350μm,微槽的高度分别为640μm和1000μm,相应的热阻分别为0.4857K/W和0.5094 K/W。对以上得到的优化结构的微槽冷却热沉的流体流动和传热进行了数值模拟,得到芯片的最高温度分别为358.34 K和361.52 K,完全可以满足工作芯片对温度的要求。

微通道液冷冷板的设计与仿真分析

介绍了微通道换热的研究现状,基于微通道液冷冷板设计理论,对微通道液冷冷板进行了设计。通过对微通道液冷冷板进行仿真分析,得到在不同功耗下系统所需的流量及对应的芯片温度和冷板压损,同时得到流量功耗曲线和流量压损曲线。