（动力机械及工程专业论文）微射流矩阵冲击冷却数值模拟.pdf

哈尔滨【程大学硕十学位论文 摘要 随着微电子技术和微机电系统( m e l d s ) 迅速发展，其单元组件功率不断增 加而体积越来越小，由此产生的高热负荷管理问题急需解决。传统的冷却方 式受到设计和制作的限制渐渐无法满足要求，微射流矩阵( m j a ) 冲击冷却作为 一种新型冷却技术开始受到人们的关注。射流冲击冷却由于其速度和温度边 界层都很薄，是一种最具效率的强化换热手段，而微尺度的矩阵布置增强了 换热的均匀性，迸一步提高了换热效果。所以对微射流矩阵冲击冷却进行研 究具有重要意义。本文在l e l a n d 等m j a 冷却实验装置的基础上进行了数值模 拟和优化设计，并在涡轮叶片冷却中矩阵射流的应用也进行了研究。 本文根据流体力学和传热学知识，对适用于冲击射流流动的r n g k e 湍 流模型、计算处理和数值方法等方面进行了比较详细的理论分析。通过对m j a 装置的数值模拟，结果表明矩阵冲击冷却确实具有很高换热效率，同时能观 察到和实验中相似的换热面“热斑现象”，换热面温度从中心向外呈“低一高一 低”分布。进1 ：3 管正下方冲击射流特征最为显著，具有最大的局部换热系数， 而邻近孔的射流法向流动很不明显，这是因为充气区的高速水平流动形成低 压区和冲击区的回旋流引起的，从而造成该区域形成“热斑现象”。邻近出口 位置冲击射流速度比较高，换热效果有所增强，但由于横流增强而造成冲击 射流发生偏转，这一定程度上削弱了射流冲击的作用。 本文针对m j a 实验装置几何参数进行小范围内的改动并优化设计，找到 最佳的参数匹配方案。优化结果表明换热效果随着射流孔直径减小而增强， 到0 2 0 0 m m 时达到最佳；随着射流孔间距与直径比的增加而减小；随着冲击 高度与直径比的减小而增加；随着迸口面积能先增强后削弱，在9 m m 直径时 达到最佳。会聚射流和缝射流的数值计算结果表明，和圆孔射流相比，这并 不能改善换热效果。 本文还对叶片中的矩阵射流冲击冷却进行了数值模拟分析，结果表明冲 击射流冷却比直接对流换热提高了3 - 5 倍。最好的矩阵射流布置是等间距小 尺寸直径孔。 关键词：微射流；矩阵；冲击冷却；数值模拟 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mm i c r o - e l e e t r o r t i ct e c h n o l o g ya n d m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) ，t h ep o w e ro ft h e i ru n i tc o m p o n e n t si s m u c hh i g h e rw h i l et h ev o l u m ei sm u c hs m a l l e r , s ot h ep r o b l e m so fh i g hh e a tf l u x m m m g e m g n th a st ob es o l v e da ss o o n 鼬p o s s i b l e t h ec o n v e n t i o n a ld e s i g n m e t h o d sa n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yc a n n o tt om e e tt o d a y sd e m a n d s a sa n e wc o o l i n gm e t h o d , m i c r o - j e ta r r a yi m p i n g e m e n tc o o l i n gi sb e i n gp a i dm o l - e a t t e n t i o n j e ti m p i n g e m e n tc o o l i n gi st h eb e s te n h a n c e dh e a tt r a n s f e rm e t h o dw i m v e r yt h i nb o u n d a r yl a y e r so fv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r e s oi ti si m p o r t m e n tt 0 i n v e s t i g a t et h em i c r o - j e ta r r a yi m p i n g e m e n tc o o l i n g t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n do p t i m i z e dd e s i g nt ol e l a n d sm j ac o o l i n ge x p e r i m e n td e v i c ea r ei n v e s t i g a t e d i nt h ep a p e r , a n ds oi st h ea p p l i c a t i o no fm j ai nt u r b i n eb l a d e r n gk - o et u r b u l e n c em o d e la p p l i e dt ot h ej e ti m p i n g i n gf l o w , c o m p u t i n g p r o c e s sa n dn u m e r i c a lm e t h o da r ca n a l y z e di nd e t a i li nt h ep a p e r c o m p a r e dw i t h t h er e s u l t so fl e l a n d se x p e r i m e n t ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o v e st h a tm i c r o - j e t a r r a yi m p i n g e m e n tc o o l i n gi sm u c he t i i c i e n ti nb e a tt r a n s f e r , a n da tt h es a m et i m e , t h es i m i l a r h 0 tp a t c hp h e n o m e n o n i sf o u n di nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a n dt h e t a r g e tf a c el m p e r a t u r ep r e s e n t s l o w - h i g h l o w f r o mt h ec e n t e ri nr a d i a l t h ej e t i m p i n g i n gc h a r a c t e r su n d e rt h ei n l e tt u b ea t er e m a r k a b l e ，a n dt h el o c a lh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ti st h eh i g h e s ti nt h i sp l a c e ，w h i l et h ej e tv e r t i c a lf l o wi nt h e a d j a c e n th o l e si sv e r ys m a l l ，b e c a u s e o ft h el o wp r e s s u r ea r e ac a u s e db yt h eh i g h s p e e dh o r i z o n t a lf l o wi nt h ep l e n u mr e g i o na n dt h er e - c i r c u l a t i o nf l o wi nt h e i m p i n g e m e n tr e g i o n , a n dt h e “h o tp a t c hp h e n o m e n o n i sf o r m e d t h ej e t i m p i n g i n gv e l o c i t yi nt h eh o l e sa d j a c e n tt ot h ee x i ti sh i g h e r , a n dt h eh e a tt r a n s f e r e f f e c ti se n h a n c e d b u tt h ej e ti nt h i sp l a c ed e f l e c t sb e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n g g r o s s f l o w , a n dt h ej e ti m p i n g i n ge f f e c ti sw e a k e n e di na c e r t a i ne x t e n t t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nt om j ae x p e r i m e n td e v i c ei si n v e s t i g a t e dt of i n dt h e b e s tm a t c h i n gp a r a m e t e r sc a s eo fg e o m e t r yc o n f i g u r a t i o n i ts h o w st h a tt h eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sw i t ht h ej e t - h o l ed i a m e t e rd e c r e a s i n gt ot h eb e s t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d i a m e t e r0 2 0 0 r a m ，t h er a t i oo ft h ej e t - t o - j e ts p a c i n gt oj e td i a m e t e rd e c r e a s i n g ， a n dt h er a t i oo ft h ei m p i n g i n gs p a c i n gt oj e td i a m e t e rd e c r e a s i n g i n c r e a s i n gt h e i n l e ta c r e a g ec a l le n h a n c eh e a tt r a n s f e rt ot h eb e s tc 黜o f9 r a md i a m e t e r 1 r i 圮 c o m p u t i n gr e s u l t so ft h ec o n v e r g e n tj e ta n dt h es l o tj e ts h o wt h a tc o m p a r e dt o c i r e l e j e t , i tc a n n o te n h a n t t , eh e a tt r a n s f e r 1 1 把n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h e j e ta r r a yi m p i n g e m e n t c o o l i n ga p p l i e dt ot h e t u r b i n eb l a d ei sa l s oi n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r n er e s u l ts h o w st h ej e t a r r a y i m p i n g e m e n tc o o l i n gh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t ye n h a n c e s3 - 5t i m e st ot h e d i r e c t c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r n 嵋b e s tj e ta r r a yc o l l o c a t i o ni ss m a l l e rj e td i a m e t e ra n d e q u i d i s t a n tj e t k e y w o r d s ：m i c r o - j e t ；a r r a y ；i m p i n g e m e n tc o o l i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经证明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 作者( 签字) ：毯堡至 日期：汐9 7 年月。日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 自上个世纪四十年代世界上第一台数字电子计算机问世以来，微电子技 术迅速发展，应用也越来越广泛。1 9 5 8 年，美国德州仪器公司和仙童公司各 自研制发明了半导体集成电路( i c ) 之后，从s s i ( 小规模集成电路) 起步， 经过m s i ( 中规模集成电路) ，发展到l s i ( 大规模集成电路) ，然后发展到现 在的v l s i ( 超大规模集成电路 及最近的u l s i ( 特大规模集成电路) ，甚至 发展到将来的g s i ( 甚大规模集成电路) ，单片集成电路集成度将超过1 0 亿 个元件。微型芯片向更快速、更轻便、更小型方向发展。电脑的c p u ( 中央 微处理器) 从1 9 7 1 年的2 3 0 0 个晶体管发展到现今的1 0 亿晶体管以上，单核 时钟频率从1 9 9 3 年的数十m h z 到2 0 0 5 年接近4 g h z ，如图i 1 ，现今有所回 落但稳定在3 g h z ，正向双核和多核方向发展，但是体积是越来越小。在其计 算能力快速提高的同时，这种高能密度的电子元件的发热功率也越来越高( 功 率范围在i o w 到1 3 0 w 之间，如图i 2 ) ，从而引发了对冷却换熟工程的真正 挑战。许多新的高热流密度电子元件应用于医疗设备、航空航天、计算机等 至关重要的高新科技领域，研究冷却这些高能密度电子元件的新方法很有必 要性。否则，热管理问题将会严重制约其发展和应用。 传统的冷却散热方式主要是风扇加散热片，如图1 3 。风扇产生高速流动 的空气，散热肋片增大换热面积，该换热器制作简单，成本低廉，故作为通 用冷却方式沿用至今。但是，对于现今的双核甚至多核高频率c p j 而言，为 了达到一定的冷却效果，风扇速度极高，产生的噪音很大，同时散热肋片呈 辐射状体积也变得相当大，影响到其它配件的布局。而且其冷却后的c p u 表 面平均温度仍然相当高，冷却效率很低。对于些微机电系统( m e m s ) 设备， 产生的热流率更高，所以需要发明一种新的冷却散热方式。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 图i ic p u 频率发展曲线 图1 2c p u 功率发展曲线 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 3 传统散热风扇 对于新型冷却散热方式人们进行了许多尝试和研究，譬如使用新的冷却 剂( 水，液氮，电磁液体介质，煤油等) 和新的高换热率冷却材料。但对于 航空航天、计算机等行业安全性和成本要求太高，所以充分利用空气是一种 更有效的方法。而且利用空气主要有下列优点： 1 没有来源存量的难题，成本低廉； 2 无后处理问题，可以直接排放； 3 没有环境顾虑，不担心危险物质泄露； 4 大家都很了解空气，它的物理和化学性质都被人们熟知； 5 安全可靠，不导电： 6 可以使换热设备简单而且体积小。 为了能使用空气作为冷却剂，就要使用新的气体换热技术来代替那些传 统的换热器。如果在有限的体积空间里选择空气作冷却剂，那么就必须使用 微尺度的冷却技术，它能从高功率密度的热源上获得比较大的换热系数。 新型微尺度冷却技术有微槽道冷却“3 ，微热管冷却“”，微射流冷却“1 。 其中，微射流冷却技术有其鲜明的优点受到人们的广泛关注。 1 9 9 9 年美国l e l a n d 嘲发明了一种可以应用于空军设备的微射流 ( m i c r o - j e ta r r a y ，简称m j a ) 冷却器，他们在1 9 7 9 年k e r c h e r 和t a b a k o f f 的试验“1 基础上，进一步降低了射流孔尺度进行试验研究，结果明显提高了 射流冷却的效率。过去由于微尺度条件下机械加工比较困难所以在微尺度射 流方面研究较少，后来应甩于m e m s 的微设备装配技术( 感应离子蚀刻法) 使 得加工出更小尺度的射流孔成为可能。l e l a n d 使用半导体硅直接作为冷却器 的材料，这可以直接和电子元件的芯片相连接，省去了许多冷却的导热热阻， 增强了换热的效果。同时硅的导热性能本身也比较高。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 射流冲击冷却换热技术作为一种具有重要学术意义和工程应用价值的强 化换热手段，广泛应用在冶金技术”、发动机内部冷却( 内燃机冷却、燃气 轮机燃烧室和涡轮叶片冷却等) 嘲、纸张和纺织品的干燥“”、玻璃的回火等 方面。其特点是高速射流流体法向冲击传热表面，在驻点附近形成很薄的速 度和温度边界层，因而具有极高的传热效率。同时这种换热方式能节省大量 换热空间，便于应用于局部换热。 显然，微射流冲击冷却是个具有良好前景的冷却技术。相关的试验和数 值研究也很多，关于射流孔的布置排列方式，很多人有不同的看法。本论文 主要研究影响射流换热几何参数的优化布局及在涡轮叶片中的应用。 1 2 射流冲击的特征 1 2 1 射流的定义和分类 射流，是指从各种排泄口射出或者靠机械推动流入周围另一流体域内的 一股运动流体。从不同的角度可以将射流分为各种类型： l 按流动型态可以分为层流射流和湍流射流。工程应用问题多为湍流射流。 2 按射流的物理性质可分为不可压缩射流( 如水射流) 和可压缩射流( 如 高速气体射流) ：等密度射流和变密度射流。 3 按射流的断面形状可以分为平面射流( 二维射流) 和立体射流( 三维射 流) ，缝射流和孔射流。 4 按环境固体边界情况自由射流( 在无限空间的流体内运动的射流) 和非 自由射流( 在有限空间的流体内运动的射流) 。 5 按依附边界可以分为冲击射流和壁面射流。 6 按环境的性质可以分为淹没射流( 射入同种流体之内的射流) 和非淹没 射流( 射入不同种类的流体之内，如射入大气中的水射流。) 本文研究的是平板冲击射流，属于低速不可压射流，射流和环境介质都 是空气，故属于淹没射流。平板射流也分为单射流，双射流，矩阵射流等， 射流可以是圆孔，方孔，窄缝等。 1 2 2 冲击射流流场的划分 对于单射流而言，如图1 4 所示，可以分为五个部分“：1 ，射流核，i ：* ( j e t 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c o r e ) 区，此处射流速度大小不交，边界逐渐向射流轴线收缩直至相交；2 混合区( m i x i n gr e g i o n ) ；3 自由射流区f r e e j e tr e g i o n ) ，该区域具有显 著的自由射流特征：4 冲击区( i m p i n g e m e n tr e g i o n ) ，又叫驻点区或者滞止 区，该区域流动改变方向，并且有很大的压力梯度；5 壁面射流区( w a l l j e t r e g i o n ) ，可以分为内层和外层，内层具有边界层的特性，外层则具有自由射 流的特性。也有人将前三个部分合为一个区域，统称自由射流区“叭。 图1 4 单射流主要分区 流体从喷嘴射出以后，在射流核心区沿射流中心轴线都不存在压力梯度， 射流中心线的速度等于喷嘴出口的速度，并且不受任何介质掺混的影响。但 在混合区速度沿中心向两侧逐渐减小。在自由射流区域，射流速度随着射流 长度的增加而减小，主流对附近静止的介质产生卷吸作用，自由界面上就会 同环境介质相互掺混，进而发生强烈的动量交换，并有一定的旋涡特征，主 要表现为：非均匀径向速度剖面的发展，射流扩张率和总传质率的增加，以 及冲击到固体壁面之前射流温度的改变等。根据边界层理论，对于一般流动 从流动形式可以分为湍流和层流，而湍流度则是指速度脉动值和时均值之比， 所以无论是层流还是湍流都有一定的湍流度。对于冲击射流而言，同样存在 着湍流度的影响，而且射流湍流度可以分为初始湍流度和诱发湍流度。初始 湍流度是来流本身所具有的，和来流扰动程度有关，射流出口时的初始湍流 度与流体在喷嘴内部的流动有关，因丽具有较小的量级。在射流进行过程中， 由于主流与环境介质相互掺混，使得主流的湍流度增加，这就是诱发湍流度， 具有较高的量级。射流湍流度的增加对强化换热有很大帮助，所以增加诱发 湍流度是提高冲击射流换热一种有效的手段。诱发湍流度的产生主要发生在 自由射流区。 冲击区，有人定义为距离固体壁面1 2 倍喷嘴直径( 法向) ，距中轴线 1 1 倍直径( 径向) 的区域“”，也有人认为是距离固体壁面0 3 倍冲击高度 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 法向) ，距离中轴线0 3 5 倍冲击高度的范围。在冲击区，射流速度变化最 明显，射流法向速度沿中轴线逐渐减小为零，径向速度则沿壁面向外逐渐增 加。在整个冲击区域，射流参数变化最为剧烈，从而使冲击射流表现出与简 单的平行剪切流动完全不同的特性。根据边界层理论，冲击射流在轴对称的 驻点流动为加速流动，法向压力梯度很小，可以忽略不计。边界层流动的稳 定性主要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。由于射流主流与环境介质不断发生动量交换，还有边界层内的 摩擦影响，必然引起射流动能的耗散，所以加速的冲击区射流流动将转变成 减速的壁面射流。 在壁面射流区，射流外层具有明显的自由射流特征，其不断与环境介质 发生湍动掺混和卷吸，主体平均速度则不断减小，无限远处则减小到零。壁 面射流是否是湍流流动主要取决于射流冲击之前是否属于湍流流动。 对于双射流或者多射流，除了具有单射流的特征外，必然有射流之间的 影响，如图1 5 所示。和单射流相比，最明显的体现就是出现了上喷流区 5 ( f o u n t a i nu p w a s hr e g i o n ) 和上升喷成区4 ( f o u n t a i nf o r m a t i o nr e g i o n ) ， 并在每股上喷流和射流之间产生一个旋涡区7 。“。 1 起落射流2 冲击区3 壁面射流区4 上升喷成区5 上喷流 6 壁面射流相互干扰滞止线7 漩涡区8 地面9 上壁面 图1 5 双射流主要分区 1 3 冲击射流的流动特性和换热特性研究 冲击射流具有广泛的工程应用背景，因此很早就有人开展这方面的研究 1 4 ) - 1 7 。这方面的工作主要集中在带有传热的试验方面的研究上，如r e 数、 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 喷嘴形状和尺寸、冲击高度( z ) 等对换热系数h 的影响，以及n u 数的分布， r e 数与n u 数的关系等。l i v i n g o o djnb 和h r y c a kp c m 很早就进行过相关 的文献调查，国内近年也有不少关于冲击射流流动换热的文献综述“州删“”。 换热系数h ，或者平均换热系数万，是衡量一个系统换热效率和能力的重 要指标。在冲击射流流动换热研究中，换热系数可以直接进行计算。如平均 换热系数可以用下列公式计算： 万：互：星( 1 - i ) a t 4 ( 乙一瓦) 其中q 是需要冷却的固体底面的加载功率，4 是换热面积，它们的比值 就是热流密度虿。元是平均壁面温度，已是环境流体温度。 对于无量纲雷诺数和努塞尔数的定义为： r e ：丝( 1 2 ) v n u ：丝( 1 3 ) 五 其中，“是流体速度，v 是流体运动粘度，d 对于圆孔冲击射流而言就 是指射流直径，对于其它问题则是指特征长度，五是流体导热率。 1 3 1 单射流 单喷嘴冲击射流因为结构简单而被许多人进行过研究并形成比较成熟的 理论，所以有丰富的文献可用来调查研究。 c e a r d o n 和c o b o n p u e “8 1 是对圆形射流冲击换热进行实验的最早的研究者 之一，他们的研究主要集中在平均换热系数和冲击面上点对点局部换热系数 的变化，并且主要关注了冲击高度与射流直径比对传热效果的影响，他们使 用的热流传感器能测定im i l l 直径区域的换热率。他们使用2 3 - 9 r a m 直径的射 流喷嘴，喷嘴速度每秒几毫米到音速，所以他们的研究包含了层流流动和湍 流流动。后来，g a r d o n 和j c a k f i r a t “”又进行了进一步的研究，他们测定 了局部换热系数沿轴向和径向的变化规律，根据实验数据进行分析得出湍流 度的发展变化是影响换热分布的主要原因，他们还发现了局部换热系数可能 存在的二次峰值现象。 m a r t i n 汹1 从工程应用上对射流冲击换热做了比较全面的论述，并给出了 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计算单个射流冲击换热的平均努赛尔数关联式如下： 胁：型 r f l + 里苎1 0 5p r 2 ( 1 - 4 ) l 2 0 0j 该公式适用范围是：2 0 0 0 r e 4 0 0 0 0 0 ，2 5 s r d 7 5 ，2 z d 1 2 。 g o l d s t e i n 等1 通过对单孔射流冲击平板进行实验研究并总结出一个平 均传热系数的关联式如下，努塞尔数主要是射流雷诺数、射流冲击高度和射 流喷嘴出口面积的函数。 丽：丝二l 丝二! ：! 型r e 一 ( 1 5 ) 5 3 3 + 4 4 ( 纠d ) ” 稳态表面热通量时，n = 1 2 8 5 ；稳态表面温度时，n = 1 3 9 4 。可以看出，射流 冲击高度z 的影响是线性的，并在z d = 7 5 时得到的平均换熟系数最大。在 稳态表面热通量时传热系数更高。 b e i t e l m a l 等”综合诸多文献对二维冲击射流流动换热进行了分析和研 究，他们对驻点区和壁面射流区都使用简单的流动假设进行近似求解，驻点 区使用势流假设，壁面射流区用平板湍流边界层近似。在p r = 0 7 的条件下， 发现下面关联式比较合适： 。、- 0 2 5 驻点区：n u = 0 8 2 4 ( r e 。) ”f 三箬】( 1 - 6 ) 壁面射流区：n u = 0 0 4 1 ( r e 。) “8 ( 警) ( 1 - 7 ) p a v l o v a 等啪1 研究了合成射流( s y n t h e t i cj e t ) 冲击冷却常热流密度的 电子元件，对不同雷诺数和不同冲击高度与射流孔直径比条件下的高频 ( 1 2 0 伽z ) 和低频( 4 2 0 h z ) 射流冲击换热进行了实验，和连续射流冲击换热 比较，并分析了它们对换热效果的影响，以及冲击射流产生的旋涡对冲击冷 却的影响。 国内对于单射流冲击换热的研究并不多，北京工业大学的马重芳等对各 种不同的工质、不同的射流直径以及不同的冲击表面粗糙度进行过相关的实 验研究，国内的许多相关的冲击射流传热实验研究都得到过他的指导一。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 赵耀华等“”对射流冲击平板时的层流运动给出了速度和温度边界层的综 合划分，用积分方法得到了小p r 数下等热流平板和高p r 数下任意热流平板 的驻点区流动换热关系式，在部分壁面射流区，利用m a n g l e r 变换技巧，得 到任意热流平板的换热系数，并以等热流平板为特例，与精确解和数值解作 比较。 冯秋洁等脚1 利用水作为工质，用实验的方法在自由和浸没的条件下，对 单束圆形射流( 喷嘴直径为0 9 8 7 咖) 冲击5 r a m 5 咖加热元件的局部对流换 热情况进行了研究，给出了局部换热系数的径向分布，并在高雷诺数条件下 观察到了换热的二次峰值现象。在相同的实验装置条件下，秦曼等。1 用最新 的微电子设备冷却剂f c - 7 2 为工质，雷诺数范围为3 4 8 8 4 2 6 4 4 情况下，测 定了驻点换热和换热系数的径向分布，讨论了雷诺数、冲击间距的影响，并 给出了冲击间距与射流直径比z d = 4 时的驻点换热数关联式； 浸没射流：n u = 1 7 6 9 r e 。“p r “33 5 0 0 r e 4 2 6 0 0( 卜8 ) 自由射流：n u = 1 6 3 6 r e o “5 p r “33 5 0 0 d ，下游的冲击射流由于上游形成的横流影响而发生偏转，在下游 形成二次峰值，同时二次峰值的重叠使周期性的n u 剖面发生波动。 由于矩阵射流冲击传热的复杂性，国内相关研究比较少，而且多是双射 流或者少数的射流孔布局呻h 。张永恒和周勇等采用了四喷嘴射流矩阵研究 了冲击高度和射流雷诺数对换热的影响，同时应用萘升华传热传质比拟技 术，考虑了传热和传质影响。 李永康、张靖周等m “蚓利用数值计算的方法对具有初始横流的阵列射 流在不同的排列方式( 顺排和叉排) 、冲击间距和横流射流质量流量比的条 哈尔滨工程大学硕士学位论文 件下的流动换热进行了三维的数值研究，并采用比较新颖的热色液晶测试技 术对阵列射流冲击的冷却表面温度分布进行了实验研究，获得了各个射流的 冲击冷却局部对流换热系数分布的特征，并和数值计算进行了对比和验证。 他们使用的射流孔直径为2 4 毫米，呈7 1 0 阵列分布，射流间距与直径比 为6 6 7 ，射流冲击高度与直径比在l 3 之间，横流与射流质量流量比分别 为0 1 8 和0 2 8 。结果发现顺排孔冷却效果好与叉排孔，横流对小冲击高度 与直径比流向下游的靶面换热有增强作用，而对大冲击高度与直径比则相反。 谭营、张靖周等蜊则对非均匀横流作用下的冲击射流冷却进行数值研究，在 冷却流量不变的条件下，发现有非均匀横流时壁面温度分布具有比较复杂的 特征。 北京工业大学的夏国栋发明了一种主要应用于大功率二极管激光条的微 射流阵列冷却热沉1 。刘青岫1 和马晓雁叫岫1 则在该装置的基础上进行了相关 的实验和数值模拟研究。这是目前国内唯一和本论文孔比较相近的应用于集 成电路的实际微射流矩阵冷却装置。该冷却装置能完成冷却流体的闭式循环， 能使用多种冷却流体，在对密封性性要求很高，安全性比较低。 关于射流冲击冷却的研究多数是射流直径是毫米级及以上，对于毫米以 下的射流孔的研究文献比较少，而且往往是单射流方面。微尺度矩阵射流冲 击冷却的实验研究对微机械加工技术要求比较高，优化设计成本比较大，随 着计算机技术的发展，数值模拟技术越来越具有优势。本论文在l e l a n d 实验 装置的基础上，对m j a 装置的传热过程进行数值模拟，并进一步对结构进行 优化设计计算。 1 4 本文主要研究工作 实验证明，微射流矩阵( m j a ) 冲击冷却技术具有非常高的冷却换热能力。 随着微机械加工技术和微机电系统( m e m s ) 的发展，m j a 冷却器的应用会越 来越广泛。过去由于受到计算机技术发展的限制，对于微尺度( 小于1 毫米) 条件下的矩阵射流冷却的数值模拟研究并不多。本文从冲击射流换热原理分 析出发，对冲击射流换热的数值模拟方法进行了总结，对m j a 冷却换热进行 数值模拟分析并对其结构优化设计。本文研究工作主要集中在以下方面： 第一章针对微型高功率电子模块的发展需要提出了一种新颖的微射流矩 阵冲击冷却装置，并对冲击射流的流动换热原理进行了理论分析。然后对冲 1 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 击射流的相关研究进行了比较全面的回顾，介绍了国内外在射流冲击传热的 理论、实验及数值计算的研究现状和存在的问题。 第二章对于冲击射流传热数值方法和网格划分的理论进行了分析和介 绍。对冲击射流流动的控制方程，适用的湍流模型、壁面函数法、计算方法 及步骤作了比较详细的介绍。 第三章简单介绍了l e l a n d 的实验过程和结果，主要针对实验建立数学物 理模型进行数值模拟计算，与实验结果对比验证，并对计算结果用可视化后 处理表示，对实验中出现的问题给予详细的分析和解释。 第四章根据成熟的计算方法对m j a 冷却器结构参数进行优化设计，通过 小范围内的参数改变得到最佳的换热效果。同时对于l j j a 增大进口面积、会 聚射流、缝射流冲击换热也进行了数值计算尝试。 第五章将矩阵冲击射流在涡轮叶片中弦区冷却上的应用给与简单介绍并 进行相关的数值模拟计算，对其流动和换热特征进行了分析和讨论。 最后总结了本文的研究工作，给出本文的结论。对微射流矩阵冲击冷却 中尚待解决的问题进行了展望。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章数值方法及网格生成 2 1 基本控制方程 在笛卡尔直角坐标系下，三维定常不可压流动控制方程的通用守恒形式 可表达为： 掣+ 掣+ 普掣= 昙( r 罢) + 号( r 爹) + 昙( r 考 + s c z 叫 缸劫瑟苏i 西j 砂i 勿勿i 勿j 式中：是通用变量，r 为广义扩散系数，s 为广义源项。 对于特定方程，表示符号如下表： 表2 1 通用方程符号 淤专 妒 rs 连续方程 loo 动量方程 玑 一鱼+ s ， 阮 后 能量方程丁 j _ _ s r c p 粘性： 遵循s u t h e r l a n d 粘性定律。s u t h e r l a n d 粘性定律表达式是由s u t h e r l a n d 在1 9 8 3 年用理想化分子间作用力势函数从分子运动论中推导出来的。分为两 系数和三系数表达式，本文使用三系数表达式。其三系数表达式为： 一( 耵鬻 2 ， 其中，是粘度，单位k g ( m s ) ；t 是静温，单位k ；鳓是参考粘度，单位 k g ( m s ) ；瓦是参考温度，单位k ；乃是有效温度，也叫s u t h e r l a n d 常数， 单位k 。对于本文计算，参考粘度、参考温度和有效温度取值分别为： 胁= 1 7 8 9 4 x 1 0 。k g ( m s ) ，瓦= 2 7 3 1 1 k ，s = 1 1 0 5 6 k 。 1 6 哈尔滨下程大学硕士学位论文 2 2 湍流研究的数值方法 冲击射流一般都是湍流流动，尤其是在微尺度条件下，层流到湍流的转 捩点雷诺数比一般的管流要低的多。1 9 8 3 年w u 和l i t t l e 通过对宽1 3 0 2 0 0pm ，深3 0 6 0pm 槽道进行试验研究，发现层流到湍流的转捩发生在雷 诺数r e 为3 5 0 9 0 0 的范围内删，比常规数值2 3 0 0 小得多。 湍流是自然界和工程应用中很常见的流动现象，它是一种非常复杂的随 机性很强的、三维非稳态、带旋转的流动。在湍流流动中，流体的各种物理 参数，如速度、压力、温度等都随空间和时间不断发生变化。目前来说还没 有一种有效而且通用的理论可以准确地描述和预测湍流现象，所以关于湍流 的数值模拟一直流体力学研究中的一个难题。近年来，借助于不断迅速发展 的计算机技术和各种先进的数值计算方法，人们通过对n a v i e r s t o k e s 方程 和能量方程的求解来研究湍流流动并取得了较大的进展，对各种湍流数值模 拟方法进行了尝试并进一步完善。 关于湍流流动和换热的数值计算，是计算流体力学和计算传热学中困难 最多因而研究也最活跃的领域之一。已经采用的数值计算方法主要可以分为 三类：直接模拟、大涡模拟和应用雷诺时均方程的模拟方法。 2 2 1 直接模拟 这是直接求解n a v i e r - s t o k e s 方程来对湍流流动进行数值计算。对于高 度复杂的湍流流动而言，直接数值模拟需要采用很小的时间和空间步长，才 能分辨出湍流中的详细的空间结构和时间特性，对计算机时钟频率和内存空 间的要求非常高，只有超级计算机才能达到要求。 2 2 2 大涡模拟 按照湍流的涡旋学说，湍流的脉动和混合主要是由大尺度的涡造成的。 大尺度的涡从主流获得能量，它们是高度的非各向同性，并随流动的情形而 异。大尺度的涡再通过相互作用把能量传递给小尺度的涡。小尺度的涡主要 是耗散能量，它们几乎是各向同性，而且不同流动中有许多共性。所以大涡 模拟就是用n a v i e r - s t o k e s 方程直接模拟大尺度的涡而不计算小尺度的涡， 小尺度的涡的影响通过近似的模型来考虑。这种方法对计算机要求也比较高。 1 7 哈尔滨 i 程大学硕士学位论文 2 2 3 应用雷诺时均方程的模拟方法 这种方法是将非稳态控制方程对时间作平均，在所得出的关于时均物理 量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知量，于是所得的方程的个 数就小于未知量的个数。因为不能依赖于进一步时均处理来使控制方程封闭， 所以就必须做出假设，建立模型来使方程封闭。这种把未知的更高阶的时间 平均值表示成较低阶的计算中可以确定的量的函数的方法就是我们所常说的 湍流模型。 因为前两种数值计算方法对计算机的要求都比较高，计算时间很长，所 以在工程计算中主要应用的是第三类方法。 所谓湍流模型，就是把湍流的脉动值附加项与时均值联系起来的特定关 系式。针对各种不同特征的湍流流动，人们提出了多种湍流模型，如零方程 模型，一方程模型，两方程模型，多方程模型等。因为各种湍流模型都有一 定的针对性，所以并没有一种适用于所有湍流流动的模型。目前应用最广泛 的就是两方程模型中的七一占模型，在许多研究中得到了广泛的验证。 常用的模型有：标准七一f 模型( s t a n d a r d i 一占) ，重整化群七一占模型 ( r n g 七- - 8 ) 、可实现k 一占模型( r e a l i z a b l e 七一s ) 。后两种模型是对前一 种的改进和修正。因为标准七一占模型中的系数的确定是从特定的实验条件 ( 平衡湍流边界层和各向同性实验) 下得来的，所以无法有效地预测冲击射 流这种复杂的湍流流动。r n gk s 模型则是从理论上推导出来的，并对系数 进一步地修正，能更有效地描述高应变曲率和流线弯曲程度比较大的流动， 而这正是冲击射流的主要特征之一，而且许多文献研究也表明r n g 七一占模 型比较适合于冲击射流湍流流动嗍。所以本文采用r n g 七一占模型进行数值 模拟计算，下面就简单介绍下r n g 七一占模型。 2 2 4r n gk - e 模型 r n g 是英文“r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ”的缩写，中文叫做重整化群。r n g l j 一占模型是由y a k h o t 和o r z a g ”1 在2 0 世纪8 0 年代中期根据量子物理中的 能谱分析和统计学中的相关分析，从本质上摆脱了标准_ j 一占模型过多依赖于 经验的束缚，采用重整化群理论推导出来的。这是最初的r n g | i 一占模型， 虽然他们的分析是完全基于理论的推导，但得出的方程形式和部分系数和标 准k 一占模型有着惊人的相似，这也说明r n g 七一占模型比标准女一占模型相比 在理论上更具有严密性。后来s m i t h 等“”发现了其中关于湍流耗散率方程推 1 8 导存在错误，所以y a k h o t 等人又重新推导了方程，并在湍流耗散率方程中 又增加了一个附加产生项，该项考虑了流动中不平衡应变率的影响，对r n g l | 一s 模型进一步完善。 湍动能和湍流耗散率的控制方程和标准后一g 模型比较近似，在定常、三 维不可压流动中，不考虑浮力产生的湍动能和自定义源项时，控制方程如下： 掣2 击卜咿矧+ g l - s ， 掣= 球矿剖+ - 一7 s - c = p - r e 协4 ， 其中： 驴帅，；吒咆一警笋譬； s 撕2 钾计2 ；岛= 糖+ 封 高雷诺数时， 鸬= 以譬； ( 2 - 5 ) 低雷诺数时，有效粘度由下面公式确定： d 乩记矗矗纸 其中， 0 = p 癣 弘，c v 1 0 0 ， 表2 2 控制方程中的常数值 巳o c l 。 c 2 。 0 0 8 4 54 3 80 0 1 2 1 4 21 6 8 1 3 9 31 3 9 3 如果将占方程写成下面形式更能说明问题 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 掣= 考卜告”c 1 8 8 g 叮$ 2 z ， 其中 也= l + p , 1 3 七 与标准的七一占模型相比，r n g 七一占模型在占方程中增加了反映主流时均 应变率墨的一项r 。这一附加项r 。中包含了，7 ，或者可以说是用，7 来修正 原来c l 。的值而变成了c ：，r 反映了流动的各向异性程度，7 较小时流动的 各向异性比较弱，7 = 0 时意味着流动呈各向同性。由于在冲击射流的滞止区 内，湍流流动具有较强的各向异性，所以增加的这一项非常重要。 有人对几种湍流模型的研究进行了总结，得到如表2 3 的结果，根据数 值计算和实验结果的符合程度分为优( a ) ，良( b ) ，中( c ) ，差( d ) 。其中，对于冲 击射流而言，最好的湍流模型是r n gk 一占模型。所以，本文采用r n gj | 一占 模型来对微射流矩阵冲击冷却进行数值模拟计算。 表2 3 五种湍流模型的对比 流动类型比较标准l b 低二层多尺度r n g 参数k r c 数k - e k - ek - 模型模型模型模型模型 严 ， 时均速度babbb 脉