喷射流针肋水冷散热器的流动传热及节能性研究
随着微电子器件、个人计算机系统和大型数据中心运算能力的不断提高，芯片工作频率不断上升，随之带来的芯片散热问题越来越受到研究者们的重视。同时，随着计算系统小型化、集成化的要求，又迫切需要减小散热系统各部件的体积。在传统风冷已无法满足计算系统散热要求的情况下，水冷系统已逐渐开始被应用到计算系统的散热中。在水冷系统的研究中，散热器结构的改进是其中重要的分支。如何通过结构的改进，在提高水冷散热器的传热性能的同时，减小冷却水在散热器内部的流动阻力，是现阶段水冷散热器研究的核心问题。相比于板肋式水冷散热器，针肋式水冷散热器的肋片结构比表面积更大，增加了散热器的有效换热面积。同时，针肋结构增强了内部流场的扰动性，提高了流体的对流换热系数，因此使得散热器的传热性能明显提升。正是由于上述优点，针肋式水冷散热器的研究在近年来得到了广泛的关注。在以往关于针肋式水冷散热器的研究中，存在着以下不足：对散热器流动传热性能的研究以横流式结构为主，关于喷射流式针肋水冷散热器的研究较少；对散热器流动换热性能以及节能效果进行评价时，很少考虑到芯片工作状态的动态变化对散热器节能效果产生的影响。 本研究主要内容包括：⑴设计并研制了三种不同针肋形状的喷射流水冷散热器，搭建了高热流密度器件水冷散热器性能检测实验台，研究在不同的冷却水流量和热流密度下，针肋结构散热器的热阻以及芯片工作温度的变化规律。⑵分别选取努塞尔特数和摩擦系数作为散热器传热和流动性能的评价指标，利用检测的实验数据拟合出不同针肋结构散热器的努塞尔特数和摩擦系数的关联式，对不同工况下散热器的性能变化进行了研究。⑶对某小型数据中心中芯片动态运行规律进行了监测，通过合理简化后，得到了芯片发热量的动态变化规律。而后，根据散热器的流动传热性能和实际运行中芯片的工作状态要求，得到了不同散热器的动态节能效果随芯片发热量的变化规律。⑷对散热器传热性能的研究的结果表明：在低流量范围内，流量改变对芯片工作温度的影响作用更大。在不同流量下，正方形针肋结构表现出最佳的传热性能，且在低雷诺数下优势更加明显。⑸对散热器流动性能的研究结果表明：由于通道截面积变化较为平缓，水滴形针肋的流动阻力和摩擦系数明显小于正方形和圆形针肋。⑹对散热器动态节能效果的分析表明：散热器的节能效果随芯片发热量的降低而显著上升，在相同的芯片工作状态下，正方形针肋结构散热器的节能效果最佳。
水冷散热器;流动传热;针肋结构;热流密度;动态节能
天津商业大学
硕士
工程热物理
诸凯
2017
中文
TK172;TK124
55
2018-01-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）