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王硕林和朱吉锋同学在《International Journal of Thermal Sciences》上发表论文

发布日期:2022-01-21

随着微电子技术的飞速发展,芯片的集成度以及电子元器件的计算能力急剧提高,此类设备工作时产生的热流已达到100 W/cm2,这远远超出了空气冷却等传统冷却技术的能力。因此,开发既有效同时具有空间紧凑性的高热流密度冷却方法成为迫切需求。针对以上情形,TuckermanPease1981年首次提出了微通道热沉这一新型冷却技术,该技术1 cm2面积上实现0.09 K/W的最大全局热阻,同时在790 W/cm2的高流密度下仍能实现有效冷却由于微通道热沉优异的冷却能力,众多研究者针对热沉具备较强换热能力的机理与热沉性能的进一步提升展开了研究,其中一个重要且可行性高的结构优化方向即是以波状通道替换直通道。值得注意的是,波状微通道热沉通常采用平行波设计,即一侧波状肋的波峰始终朝向对侧波状肋的波峰,因此通道横截面积保持不变。实际上,存在一种对称的波状设计,即一侧波状肋的波谷(或波峰)朝向对侧波状肋的波峰(或波谷)。对称波状通道设计具有冷却剂流动通道横截面积周期性会聚-发散的特点这一设计与平行波设计换热性能的比较及各自传热强化机理的研究仍有所欠缺。

围绕上述问题,华北电力大学工程热物理研究中心王硕林同学作为第一作者,朱吉锋同学作为第二作者,安迪同学作为第三作者,王晓东教授作为通讯作者,在传热领域国际期刊International Journal of Thermal Sciences上发表题目为Heat transfer enhancement of symmetric and parallel wavy microchannel heat sinks with secondary branch design的论文。在这项研究中,作者利用三维流体-固体共轭模型研究了具有对称和平行波微通道的微通道热沉在雷诺数从 50 700 的广泛范围内的换热表现。结果表明,相同雷诺数下对称配置比平行配置具有更高的努塞尔数,且趋势随着雷诺数的增加相对振幅的增大愈发明显相比直通道二者传热性能的差异可归于以下原因:对称波设计在垂直于流动路径的横截面中产生了四个迪恩涡,而平行波设计能产生两个迪恩涡,迪恩涡对冷却剂混合程度的提高是对称波设计具有更高的努塞尔数的原因。然而,由于通道存在喉部,对称波设计的通道压降更为。因此,在相同泵功下对称波设计的整体性能略低于平行波设计

为了提高波状微通道热沉的性能,作者提出了改进对称/平行波通道设计在肋中添加了几个横向开口以连接相邻的微通道。结果表明,由于相邻微通道之间的流体混合增强,这种二分支设计显著增强了两种平行波设计的努塞尔数。此外与原来的波状微通道热沉相比,改进的平行波设计的压降只是略微增加。综合后发现,改进的平行波设计整体性能得到提高。此外,由于二次分支引起的通道喉部的吸力削弱降低迪恩涡强度并恶化传热性能,尤其是对于具有较大雷诺数/相对振幅的设计。因此,建议改进的对称波设计使用具有更宽的间隙和的相对振幅。一般来说,改进的平行波设计比对称波设计更占优势。

本研究得到国家自然科学基金重点项目(No.51936004)、国家自然科学基金(No.52006064)和中央高校基本科研业务费专项资金(No.2020MS063)的资助.