微小孔径旋转冲击射流换热特性的数值模拟_王长宏

华南理工大学学报(自然科学版)第37卷第3期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyVol.37No.32009年3月(NaturalScienceEdition)March2009文章编号:1000-565X(2009)03-0047-06收稿日期:2008-01-14＊基金项目:国家自然科学基金资助项目(50376076);教育部新世纪人才支持计划项目(NCE040826)作者简介:王长宏(1980-),男,博士生,主要从事电子封装热管理及新型制冷技术的研究.E-mail:wang.chh@mail.scut.edu.cn通讯作者:朱冬生(1964-),男,教授,博士生导师,主要从事纳米能源与节能新技术的研究.E-mail:cedszhu@scut.edu.cn微小孔径旋转冲击射流换热特性的数值模拟＊王长宏1朱冬生1涂娟2汪南1(1.华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州510640;2.广东省电力设计研究院,广东广州510600)摘要:采用数值模拟方法模拟了旋转冲击射流的换热过程,分析了换热过程中喷射孔径、喷射间距、旋转角速度以及流场分布特性对冲击射流换热的表面传热系数与平均换热效果的影响.结果表明:相同雷诺数下,3mm孔径射流的平均换热效果比6mm孔径的强;大孔径射流时的平均传热系数受角速度的影响要比小孔径时大;角速度的增加使换热板上的最大换热系数减小且由驻点向外偏移;旋转使板上的换热更加均匀,表现为角速度越高,平均表面传热系数曲线越平坦.关键词:旋转冲击射流;数值模拟;表面传热系数;换热特性中图分类号:TB61+1文献标识码:A电子封装从传统的插孔式发展到今天的表面贴装、焊球阵列(BGA)、倒装焊、芯片尺寸封装(CSP)等封装形式,封装密度越来越高,体积越来越小,符合目前集成电路高密度发展的要求,但随之而来的散热问题不容忽视.自1948年半导体元器件问世以来,电子元器件的小型化、微型化和集成技术的飞速发展及新型半导体材料的出现和应用,使电子设备功率密度不断增大,传统的冷却技术已不能满足未来先进电子设备的散热需求[1-2].相对于传统的自然对流和强迫对流散热方式,冲击射流以其强大的散热效果引起了人们的重视.早期的冲击射流传热研究,大多以气体作为冷却工质,而且多集中在空气应用方面.Martin[3-4]、Hrycak[5]及Downs等[6]都对此作了论述.Martin着重从工程应用角度对气体冲击射流传热作了全面评述,并推荐了不同形状冲击射流传热问题的计算方法.平浚[7]等详细探讨了旋转射流的基本方程及速度分布.Huang等[8]对3种不同旋转角速度的旋转射流的局部努塞尔数(Nu)分布进行了实验研究,得出了使局部Nu达到最大的最佳旋转角速度及最佳喷射间距.Shtern等[9]研究了圆锥形旋转射流的温度分布,结果表明,旋转是提高或抑制换热取决于控制参数.Shuja等[10]则对冲击到绝热板上的大孔径受限旋转射流进行了数值模拟,着重研究了不同流动形态的流场和温度场,并研究了射流轴线倾斜和切向速度与换热面温度分布之间的关系,对射流的熵产也进行了研究.总体说来,目前对于旋转射流尤其是微小孔径受限旋转射流的研究并不全面,因此有必要对其流动及换热规律进行系统的研究.文中在总结前人研究成果的基础上,建立旋转冲击射流模型,并对3mm及6mm孔径旋转冲击射流换热特性进行了数值模拟分析,为旋转冲击射流冷却在高密度电子芯片散热中的应用提供理论参考.1冲击射流的热-流场特性1.1射流流场分布特性Martin综合了Schrader和Glaser[11]等人的研究成果,把射流法向冲击平板的流场划分为3个特性区域:自由射流区,驻点区和壁面射流区[3].Hrycak又把自由射流区分为两部分:始段区(势流核心区)和基流段区(势流核心区外)[5].如图1所示,在射流进行过程中,工质射流的宽度随射流长度的增加而线性增加,直至距换热板面距离zg处.根据Schrader的研究,对于圆形冲击射流,zg=1.2d,其中d为喷嘴直径,从喷嘴出口到距换热板面距离zg这一区域称为自由射流区.z≤1.2d、r≤rg范围内为驻点区,其中z为距换热板面的距离,r为距驻点的距离,rg=1.1d为驻点半径,驻点坐标为z=0,r=0.根据边界层理论可知,圆形冲击射流在驻点区的径向流动为加速流动,法向压力梯度很小,故可以忽略.边界层流动的稳定性受到径向压力梯度的影响,平行于壁面方向的顺压梯度使边界层保持层流状态,不易过渡到湍流流动[12].驻点区的速度边界层的厚度δr0=1.95(ν/a)1/2,其中ν为流体的运动黏度,m2/s;a为系数.因而在驻点区为等厚度层流边界层.射流主流的有限宽度及与周围静止流体的动量交换将引起动能耗