Введение к работе
Актуальность темы. Постоянное совершенствование микроэлектронных приборов и радиотехнических устройств, бурное развитие компьютерной техники приводят к увеличению теплонапряженности таких элементов, как микропроцессоры, сверхвысокочастотные полупроводники и т.д. В свою очередь, габаритно-массовые характеристики оборудования уменьшаются, а плотность теплового потока нагреваемых элементов увеличивается, что может привести к перегреву и нестабильной работе при использовании традиционных систем охлаждения. В связи с этим вьщеляемую тепловую энергию следует отводить надежной системой охлаждения, причем ее габаритно-массовые характеристики должны быть соизмеримы с данным устройством.
Наиболее перспективным способом охлаждения является применение микроканальных компактных систем, т.к. позволяет интенсифицировать теплообмен, подобрать необходимые габариты и в результате - повысить надежность функционирования. Применение новых материалов, в т.ч. нитевидных монокристаллов кремния, позволяет снизить габаритно-массовые характеристики систем охлаждения.
Существующие модели зачастую не учитывают нестационарность и нелинейность рабочих процессов систем охлаждения, 3D геометрию расчетной области, что имеет место в реальных условиях. Недостаточно данных по прогнозированию работы подобных систем.
Таким образом, моделирование и разработка микроканальных систем охлаждения для электронных устройств является актуальной.
Работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО ВГТУ «Физико-технические проблемы энергетики»; в рамках НИР Г.р. №№ 01200505528, 01200701584, 01201064930, 01201176271 и в соответствии с ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 г., НТП «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2005 г., ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Цель работы - моделирование процессов гидродинамики и тепло-переноса в пористых (ПТЭ) и микроканальных теплообменных элементах (МКТЭ), разработка теплообменных аппаратов (ТОА) на их основе и метода расчета систем охлаждения электронной аппаратуры.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка математических моделей нестационарных процессов гидродинамики и теплообмена в ТОА на основе ПТЭ и МКТЭ в условиях
нелинейной фильтрации охладителя с учетом 2D и 3D геометрии охлаждающих элементов.
-
Аналитическое и численное моделирование нестационарных процессов гидродинамики и теплообмена в ПТЭ и МКТЭ в условиях нелинейной фильтрации охладителя.
-
Проведение экспериментальных исследований гидродинамики и теплообмена в ПТЭ и МКТЭ для проверки результатов теоретических исследований и получения эмпирических зависимостей для определения числа Нуссельта, вязкостного и инерционного коэффициентов сопротивления пористой среды, образованной матрицей нитевидных кристаллов кремния.
-
Разработка конструкций теплообменников со сложной геометрией и создание на их основе систем охлаждения электронной аппаратуры.
Научная новизна:
-
Установлены закономерности протекания пульсационных и переходных процессов в пористых структурах с непроницаемыми теплонапря-женными поверхностями. Разработана аналитическая методика расчета гидродинамики течения охладителя в ПТЭ клиновидной формы, отличающаяся учетом двухмерности течения охладителя.
-
Разработана 3D математическая модель нестационарного нелинейного тепломассопереноса, позволяющая рассчитать поля давления, скорости и температуры в охлаждающих элементах. Проведено численное моделирование гидродинамики и теплообмена в ТОА с ПТЭ и МКТЭ с непроницаемыми теплонапряженными поверхностями с учетом «двухтемпе-ратурного» состояния, при граничных условиях первого и второго рода.
-
На основании экспериментальных данных получены новые критериальная зависимость для определения числа Нуссельта; выражения для определения вязкостного и инерционного коэффициентов сопротивления в пористой среде образованной матрицей нитевидных монокристаллов кремния.
Практическая значимость и реализация:
-
Разработанные математические модели и методики расчета процесса тепломассопереноса в пористых и микроканальных структурах со сложной геометрией позволяют рассчитать поля давления, скорости и температуры и служат основой для проектирования новых и повышения эффективности существующих систем охлаждения, работающих в стационарных и нестационарных режимах.
-
Запатентован новый тип микроканального ТОА на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния, применение которого повышает эффективность и надежность работы систем охлаждения микроэлектронных устройств.
-
Исходя из полученных теоретических результатов и экспериментальных исследований, даны практические рекомендации для создания но-
вых микроканальных ТОА. Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ЗАО «Кодофон» г. Воронеж, ООО «ВЭКС-Энерго» г. Воронеж и в учебный процесс на кафедре «Ракетные двигатели» ВГТУ.
Достоверность результатов исследований обеспечена обоснованным использованием общепринятых законов гидродинамики и теплообмена, теоретических допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, использованием современных приборов и методов исследования и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов расчета с экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных, Всесоюзных и Российских научно-технических конференциях в период с 2004 по 2011 годы: XV, XVII школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Москва, 2005, 2009); Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2010); Российских научно-технических конференциях «Ракетно-космическая техника и технология» (Воронеж 2009, 2010); XXX Гагаринских чтениях (Москва, 2004); V1.VII, XI Международных научно-технических конференциях «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2005, 2006, 2010); Международной научно-практической конференции «Инженерные системы - 2010» (Москва, 2010); XII Туполевские чтения: Международной молодежной научной конференции (Казань, 2004); II Международном форуме «Образование, наука, производство» (Белгород, 2004); научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов, студентов Воронежского государственного технического университета. По результатам конференций, конкурсов, выставок получены дипломы и грамоты, а также медаль «За лучшую научную студенческую работу» Министерства образования и науки РФ по результатам открытого конкурса 2006 года.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 3 патента на полезную модель, 1 патент на изобретение. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-3, 5-8, 10] - проведение аналитических и численных расчетов гидродинамики и теплообмена; [6] - конфигурирование системы обработки экспериментальных данных; [12] - анализ и определение перспективных направлений исследования, [4, 9] - разработка конструкции ТОА, [11, 13, 14] - моделирование теплогидравлических процессов с использованием программного комплекса FlowVision.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 166 наименований и прило-
жения. Основная часть изложена на 161 странице, содержит 142 рисунка, 17 таблиц.
