柱型散熱鰭片幾何尺寸影響熱傳性能之研究

admin 2011-09-15

中原大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)系碩士學(xué)位論文
柱型散熱鰭片幾何尺寸影響熱傳性能之研究
Effect of Dimensions of Cooling Pin-Fins on Heat Transfer Performance
指導(dǎo)教授：蔡瑞益研究生：劉興和中華民國(guó)九十四年七月

中文摘要
本文主要研究空氣噴射沖擊散熱鰭片冷卻熱點(diǎn)之熱傳狀況。散熱鰭片的幾何尺寸與雷諾數(shù)，是影響冷卻效果的主要研究參數(shù)。其中散熱鰭片為9×9 數(shù)組式柱型鰭片，散熱鰭片底部尺寸為70mm×70mm×3mm，鰭片寬度分別為4mm、5mm、6mm，高度分別為30mm、40mm、50mm，雷諾數(shù)范圍5000~30000，熱點(diǎn)尺寸為30mm×30mm，其熱功率30W，使用計(jì)算流體力學(xué)軟件包PHOENICS，仿真采用紊流模式，計(jì)算探討溫度場(chǎng)與鰭片流道中壓力分布。
本文經(jīng)模擬分析，得出在下列三種條件參數(shù)下有較好的散熱效果：(1)雷諾數(shù)為30000 時(shí)。(2)鰭片寬度為6mm 時(shí)。(3) 鰭片高度為50mm 時(shí)。
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ABSTRACT
The main purpose of this study is to research the heat transfer of hot spot for air impingement flow on a heat sink. The dimension of heat sink and Reynolds number are the main parameters affecting the cooling efficiency. In this study, the heat sink is square pin-fin and a 9×9 pin-fin array. The dimension of heat sink base is 70mm×70mm×3mm, and a fin width is 4, 5, and 6 mm, height is 30, 40, and 50 mm. The range of Reynolds number is 5000~30000, and the dimension of hot spot is 30mm×30mm, and the power is 30W. The PHOENICS software CFD package is used for calculating the temperature field and the pressure of heat sink channel.
After the model had simulation and analysis, we can find three better characteristic conditions for cooling efficiency: (1) Reynolds number is 30000. (2) heat sink width is 6mm. (3) heat sink height is 50mm.

志謝
本文之得以順利完成，首先要感謝恩師蔡教授瑞益，兩年來的鼓勵(lì)及協(xié)助指導(dǎo)，每每在遇到因惑瓶頸時(shí)，再三地解釋疑惑，使我在這過程中受益匪淺，師恩浩瀚，銘感于心。同時(shí)也感謝口試委員張永鵬老師、梁龍?bào)K老師細(xì)心的指正與建議，使得本論文能更趨于完備，助學(xué)生于求學(xué)的知識(shí)上更上一層樓。
其次要感謝學(xué)長(zhǎng)馨德、俊豪、桂勛、建勝、傳宗、政忠、仲豪的大力傳承，與在研究期間給予的協(xié)助與鼓勵(lì)，同窗好友爵辰、家榮，在這段期間彼此提攜與相互砥礪，以及學(xué)弟士航、仕杰、宇書，在著作倫文期間的幫忙，有大家的陪伴讓我的研究生涯更加的精采豐富。
最后感謝我的家人，在求學(xué)的過程中一直辛苦栽培與支持我的父母親，以及姊姊與哥哥對(duì)我的鼓勵(lì)與照顧，每當(dāng)我受到挫折時(shí)給予我最大的關(guān)心與包容我的任性，僅以此書與所有關(guān)懷我的人分享。
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目錄
中文摘要 . Ⅰ
ABSTRACT . Ⅱ
志謝 .. Ⅲ
目錄 .. Ⅳ
圖目錄 . Ⅶ
表目錄 . Ⅸ
符號(hào)說明 . Ⅹ
第一章導(dǎo)論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動(dòng)機(jī)與目的 2
1-3 本文架構(gòu) ..3
第二章問題描述與文獻(xiàn)回顧 ..4
2-1 問題描述 4
2-2 文獻(xiàn)回顧 6
第三章統(tǒng)御方程式 . 11
3-1 統(tǒng)御方程式 .11
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3-2 紊流模式 .14
3-3 邊界條件 .15
第四章數(shù)值方法 .. 17
4-1 PHOENICS 的結(jié)構(gòu) ..17
4-2 PHOENICS 的應(yīng)用 ..19
4-3 松弛系數(shù)與收斂標(biāo) ..22
4-3-1 松弛系數(shù) 22
4-3-2 收斂標(biāo)準(zhǔn) 23
4-4 PHOENICS 的源項(xiàng) ..24
4-5 迭代的等級(jí) .24
4-6 Q1 數(shù)據(jù)輸入文件介紹 25
第五章結(jié)果與討論 . 31
5-1 文獻(xiàn)與本文比較 31
5-2 不同數(shù)組式鰭片之比較 .32
5-3 溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)之分析 .33
5-3-1 噴嘴速度對(duì)系統(tǒng)的影響 .33
5-3-2 散熱鰭片的影響 ..33
VI
第六章結(jié)論與建議 . 77
6-1 結(jié)論 ..77
6-2 建議 ..77
參考文獻(xiàn) . 79
簡(jiǎn)歷 .. 82

圖目錄
圖2-1 散熱鰭片之示意圖8
圖2-2 噴流沖擊散熱鰭片冷卻熱組件模型示意圖9
圖2-3 w=4mm，H=96mm 流道模型格點(diǎn)分布..10
圖2-4 w=5mm，H=106mm 流道模型格點(diǎn)分布10
圖2-4 w=6mm，H=116mm 流道模型格點(diǎn)分布10
圖4-1 PHOENICS 的結(jié)構(gòu)圖28
圖4-2 PHOENICS 使用的有限體積模型圖29
圖4-3 PHOENICS 之流場(chǎng)計(jì)算流程圖..30
圖5-1 w=5.08mm，hs=15mm，文獻(xiàn)【4】與本文結(jié)果之比較36
圖5-2 Re=15700，hs=15mm，文獻(xiàn)【4】與本文結(jié)果之比較.37
圖5-3 Re=15700，w=5.08mm，文獻(xiàn)【4】與本文結(jié)果之比較..38
圖5-4 柱型鰭片高度與鰭片總體積固定，不同數(shù)組數(shù)之熱阻值比較
…………………………………………………………………39
圖5-5 柱型鰭片寬度與鰭片總體積固定，不同數(shù)組數(shù)之熱阻值比較
40
圖5-6 hs=30mm，柱型鰭片不同寬度下的熱點(diǎn)平均溫度之比較..41
圖5-7 hs=40mm，柱型鰭片不同寬度下的熱點(diǎn)平均溫度之比較..42
圖5-8 hs=50mm，柱型鰭片不同寬度下的熱點(diǎn)平均溫度之比較..43
VIII
圖5-9 w=4mm，柱型鰭片不同高度下的熱點(diǎn)平均溫度之比較.44
圖5-10 w=5mm，柱型鰭片不同高度下的熱點(diǎn)平均溫度之比較..45
圖5-11 w=6mm，柱型鰭片不同高度下的熱點(diǎn)平均溫度之比較46
圖5-12 Re=5000，hs=30mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.47
圖5-13 Re=5000，hs=40mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.48
圖5-14 Re=5000，hs=50mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.49
圖5-15 Re=15000，hs=30mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp..50
圖5-16 Re=15000，hs=40mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp..51
圖5-17 Re=15000，hs=50mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp..52
圖5-18 Re=25000，hs=30mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp..53
圖5-19 Re=25000，hs=40mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp..54
圖5-20 Re=25000，hs=50mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp..55
圖5-21 hs=30mm，柱型柱型鰭片不同寬度下的系統(tǒng)熱阻之比較56
圖5-22 hs=40mm，柱型鰭片不同寬度下的系統(tǒng)熱阻之比較..57
圖5-23 hs=50mm，柱型鰭片不同寬度下的系統(tǒng)熱阻之比較..58
圖5-24 Re=5000，w=4mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp59
圖5-25 Re=5000，w=5mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp60
圖5-26 Re=5000，w=6mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp61
圖5-27 Re=15000，w=4mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.62
IX
圖5-28 Re=15000，w=5mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.63
圖5-29 Re=15000，w=6mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.64
圖5-30 Re=25000，w=4mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.65
圖5-31 Re=25000，w=5mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.66
圖5-32 Re=25000，w=6mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.67
圖5-33 w=4mm，柱型鰭片不同高度下的系統(tǒng)熱阻之比較.68
圖5-34 w=5mm，柱型鰭片不同高度下的系統(tǒng)熱阻之比較.69
圖5-35 w=6mm，柱型鰭片不同高度下的系統(tǒng)熱阻之比較.70
圖5-36 Re=5000，柱型鰭片寬度對(duì)熱阻值之比較.71
圖5-37 Re=15000，柱型鰭片寬度對(duì)熱阻值之比較..72
圖5-38 Re=25000，柱型鰭片寬度對(duì)熱阻值之比較..73
圖5-39 Re=5000，柱型鰭片高度對(duì)熱阻值之比較.74
圖5-40 Re=15000，柱型鰭片高度對(duì)熱阻值之比較..75
圖5-41 Re=25000，柱型鰭片高度對(duì)熱阻值之比較..76
表目錄