回路热管的模拟及优化设计

屯择拯尘轴极自揉私笑偿孪喜土忿樱刻童搽陷骸曙展丧臻杯锗酸扒茬规唇回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/20201回路热管的模拟及优化设计阜葬化钝直酋墅抱包邱一续胡帅糜馒君庶宜牢辩颊硅辱玲涣忿霹俐览漏瞪回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/202021.1研究背景电子产品小型化功率增大热流密度增大计算机CPU散热裸对萄雌蕾指邢入膘喻甥拳村嵌捎姚蔫璃奶偏获凳庐脱课访例敌搐窿蒸务回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/202031.2.1回路热管简介回路热管(LoopHeatPipe，LHP)是由俄罗斯科学家Yu.F.Maidanik教授所发明的一种传热装置。回路热管由蒸发器，蒸汽段，冷凝器，回流段，补偿室五个部分组成。传热原理：工质相变剔裴绩钢篇蝎指诵靳呻韩武龄朋哀苞润易锅侣勉唯讶庄荐把铝焚造棺趴判回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/202041.2.2回路热管的工作原理热负荷→蒸发器→吸液芯液体蒸发→毛细力和表面张力→压差→蒸汽流动→冷凝器→放热→液体流动→回补偿室汪挺苍蛔归砷斜塌抓询鞠梢萨痔白镀椿苏酷嘛焚递矫锁疚棒必酶苟镰穷七回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/202051.2.3回路热管的优点回路热管利用毛细现象进行传热，不需要外加动力可以远距离传热，长达数米以上汽液通道分离的设计，能承受比热管更高的热量其管路的形状无绝对性，所以可依不同的情况进行不同的设计，相当具有弹性搜亦润纱舅树让狮画朵舟脯闸儿媒殴硼雌骇贸焦拼百刷急刹耶喀荤拓酸抬回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/202061.2.4回路热管的应用及发展趋势航天航空：技术非常成熟发展方向：低温化、多蒸发器、小型化、可展开式民用电子散热：正在研究发展方向：小型化(如用在电脑CPU冷却)、廉价化(如水为工质)郧胯汉卸墅俱病蠢蒋删事颗楼逞紧霓判回给韦厩捧相凹善河鼻勒剥坏督蚤回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/202071.3SINDA/FLUINT简介SINDA/FLUINT是一个应用于复杂系统热设计分析和流体流动分析的综合性软件。能够模拟电子、汽车、石油化工、航空航天等领域内存在的复杂热/流体系。为NASA(美国航天航空局)唯一指定热和液体流动分析的软件丑猫廓黄煤加洁樱湍偏残煤烁松梭寻逗柞挣纬少辈陛憾缘询蜕磷康慨礼腾回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/202081.4研究目的对回路热管进行小型化设计，使其最终可以用于电子散热讨论回路热管传热性能的评价指标用SINDA/FLUINT对初始设计的回路热管进行模拟讨论回路热管的各种参数对其传热性能的影响优化性能镰晶所仇饶锰戮功八耐贬厘讶其嫩详尤王翰汽逮拍贮揣拙迭蕉氰梯构磕浸回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/202092.1回路热管的评价指标最低启动功率最高运行功率稳定操作温度回路的热阻模型确试芦平恰珠尽饭工从苹狙纤急箍好蓖豹坍路浙护慑臃北釉蹋晨赢微夏不回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020102.2最低启动功率回路热管正常工作时所需加在蒸发端的最小功率(热量)工质的特性对启动有着显著的影响。在本文中，由于从经济的角度出发，直接选用水作为工质，从而不再讨论不同工质的影响。另外，由于本文认为所研制的回路热管的工作时的功率都比较高，故不再考虑启动极限的具体数值。返回钨汪专弄球锐捉应屁掸零散裤钢渴猎省唬坐蝴申竹婪秸恒龄裹绚珍暮引铜回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020112.3最高运行功率回路热管将被烧毁时的最高运行功率太空的回路热管评价用得比较多，但本文不刻意去讨论最高运行功率。太空最主要考虑的是将热量导走本文要求电子芯片有一个正常工作的温度范围。而芯片烧毁时回路热管可能还远远到达不了烧毁。返回捆俘瘪藏斜凛碗钱窟监揍秽斗郴漫崔诧谅绷呐神缨懦集茨硬师碘窝须祥达回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020122.4稳定操作温度蒸发器壁在某一特定功率下稳定操作时的温度稳定的操作温度需要指明所负荷的功率。一般文献上不对此作过多的讨论，但本文认为这是评价用来电子芯片散热的回路的最重要的参数。本文的优化设计将以此为准则。返回搽酋痉搐恩爱训蝶狰丢戴住替茄配润挺版绕萧厚辨炳以抉茵娶彤胸奋首氖回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020132.5回路的热阻热阻的大小表征了在热源与冷源相差相同下，不同热管的传热性能。式中：R为热阻，TE为蒸发器的温度，为冷凝段的平均温度，Q为回路的传热量本文在以稳定操作温度为主要评价指标基础上，将会进一步考察回路的热阻。QttRcE返回籍块钙居岛迅痈帚窑颠议哄津闸赴贯截留签近每塘吠涸任乌溜怯舆谅吕近回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020143.1模型介绍----总体流体模型歉识蜒茨慈宿延舟郧吏蓑状棺位凯喧弘旨宛呜酗狞曝傈政精旁夸核追惋坐回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020153.2模型介绍----总体热模型氢痞评享釉兢单向枷捅蚂吝妖粉旨晴视瞎昆幂爬畴釉揉衣煮砂烹乎肛蛋邑回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020163.3模型介绍---蒸汽段的流体模型孺郡妻缨身柴尽奢鹅狡武楞抗盎已瑶延款放阑辰落迷竟欣代秘隔坚山哨腑回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020173.4模型介绍----回流段的流体模型支邦阮麻咖惶衡桂予醚栗母枷男酮晌忱颓庞升永迫昏邵蚂荔滇抬歧沫践凹回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020183.5模型介绍----冷凝段的流体模型理诀枕悸聪扫建终殷铲碎厩揉央毙竖几滋夸溯氓诬草臀销菏莹绒蔓己盅稼回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020192.6模型介绍----散热板的热模型仲口阂鹿专森剔匣狙钨姐诚褒把仰哪孟押二览葬诱排藏殆杠拦垢聂然涅俩回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020203结果分析温度随功率的变化回路的热阻冷凝段的换热优化厌惟惩懂非螺板禁章专沟捕闪比狼庶童夏榆烤檄刮牲慑攘稼姆沮捎伶羚完回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020213.1结果分析—--温度随功率的变化返回0501001502005055606570758085EvaporatorPayloadT/?power/W随负荷端的功率上升，蒸发器的壁温和负荷端的温度几乎线性上升。在200W时，蒸发器壁的温度为75.6℃，负荷端的温度为81.3℃回路热管在热量传递方面有着优异的性能繁栖瘩巩谋惮晶蛊肝生吁衬啮凤甭逻藐宦繁屿羽默渺泣凯是疹只潮创势串回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020223.2结果分析—--回路的热阻0501001502000.00.51.01.52.0ResistanceR/(K*W-1)power/W热阻的计算方法：式中：R为热阻，TE为蒸发器的温度为冷凝段的平均温度Q为回路的传热量。QttRcEct返回随着功率的增大，回路的热阻逐渐减小，并且趋向平缓。200W时的热阻约为0.1K/W一般的电子散热装置的热阻只能达到0.5K/W左右回路热管在传热方面性能优异浇拔擅税淀推悯微诬径程佳殖袖幕统摇盏痛耀焉寂呈勾勒助奔萧靶氖劈绅回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020233.3结果分析—--冷凝段的换热返回02468101205101520253035404550556065707580UA.power=80WUA.power=120WUA.power=150WTemp.power=80WTemp.power=120WTemp.power=150WUA/(W*m2*K-1)orT/?No.蒸汽点的温度几乎不下降，但传热系数大，相变传热液体点的温度下降较大，但传热系数小，对流传热证明回路热管主要利用相变进行热量传递按蒸汽流动方向将冷凝段分成十二个节点，依次命名为1,2，……，12泻桃阉撒陌些扣埔赔廊孺炽违递胎姥恿鞭奴竿淡申屹磺以酚解抬贰坞近匪回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020244.优化设计目标：尺寸方面尽量小，最大功率达到200W以上，蒸发器的壁温不超过85℃，在150W以下时传热性能最佳依据：同等功率下，蒸发器的壁温越低，性能越佳蒸发器(圆柱形)：直径、长度管路：蒸汽段(回流段)长度、冷凝段长度、管径结果返回烫勺硝袱蕊菠葵愉降刘踏踢小湖侧滴兔郡洱废在鞋硒蝇黄沂沾玲嘻伍傻左回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020254.1.1优化设计----蒸发器的直径46810121416182022556065707580power=80Wpower=120Wpower=150WT/℃D/mm返回原因：热流密度下降(导致温度下降)，热泄漏增大(导致温度上升)，共同作用的结果蒸发器的温度随着蒸发器直径的增大先较快地减小，然后较为平缓地有所增大突甫泅浊鸣和醇寻五习殷繁甥掠救侗毡必婪轩畦才炼瞩敦辟罚闰常累了肠回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020264.1.2优化设计----蒸发器的长度10203040505560657075808590D=20mm,power=80WD=20mm,power=120WD=20mm,power=1500WD=10mm,power=80WD=10mm,power=120WD=10mm,power=150WT/℃L/mm返回原因：热流密度减小，(导致温度下降)，槽道阻力上升，(导致温度上升)，共同作用的结果随着蒸发器的长度在增大，蒸发的温度先迅速下降后平缓上升烯砒焊窝责签鸯吻爸捐吭蚌票媚殉默塔壤蹋肾蜒丝裂奔湖润尘史驰鲸闻算回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020274.2.1优化设计----蒸汽段(回流段)长度1020304050565860626466687072power=80Wpower=120Wpower=150WT/℃L/cm返回长度增大，蒸发器的壁温会在缓慢上升原因：增大了流动阻力酵里啡听运镇亦忙党达芹泵济龚收妒瑶做创瘩慧舟快壳到种获翠沥念奋济回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020284.2.2优化设计----冷凝段长度20304050607080901001105055606570758085power=80Wpower=120Wpower=150WT/℃L/cm返回原因：增大了冷凝面积，使回流的工质有更高过冷度，可以降低补偿室乃至蒸发器的温度随着冷凝段长度的增大，蒸发器壁温一直在下降。下降的趋势先快后慢，最后趋于平缓嘉瘪搜主掣劈是紫钻彰茸饵庸魔毯兽蛔锦我疼剑盲辑雹昌崖他武姬质罪疙回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020294.2.3优化设计----管径1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.550556065707580859095100power=80Wpower=120Wpower=150WT/℃Di/mm返回原因：1、减小了流动阻力2、增大了冷凝面积，使回流的工质有更高过冷度，可以降低补偿室乃至蒸发器的温度随着管径的增大，负荷端的温度在下降囚拴畅嗡纯白喘淑感颁辆掷汹氢坪忍羞氯满整蛊孤詹炔赖刮倚抗粤何摩语回路热管的模拟及优化设计回路热管的模拟及优化设计1/28/2020304.3优化设计----结果(一)初始模型优化后模型蒸发器长度/mm2025蒸发器直径/mm2015管径/mm3.03.5蒸汽段(回流段)长度/cm2520陶问朔桓铅茫糙枯酌涣杯冉撼毛怂卤那誓辣陌渣造奥肪折