阵列式多孔微射流热沉结构优化及传热特性研究.pdf

陶瓷含報Vol.44,No.3第4 4 卷，第3 期2023年6 月D0I:10.13957/ki.tcxb.2023.03.020Journalof CeramicsJun.2023阵列式多孔微射流热沉结构优化及传热特性研究钟鸣1，占园根，孙健，李杰1(1.景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西景德镇3 3 3 4 0 3；2.景德镇陶瓷大学信息工程学院，江西景德镇3 3 3 4 0 3)摘要：为解决陶瓷封装芯片温度过高导致失效问题，以一种矩阵式多孔微射流热沉为基础，构建了几种不同结构的热沉几何物理模型及传热和流动数学模型，并对其传热和流动特性进行了数值模拟研究。为了改善被冷却表面温度均匀性、提高热沉的冷却效果，对热沉的进、出气结构进行了优化，对比分析了分别加装圆柱、棱柱肋片时的传热效果。结果显示：相比于圆形回流的基础结构，侧面进气结构散热能力提升了2.7%；两层进气结构提升了5.4%，但两层进气结构会导致压损剧增；环形回流结构提升了8.6%。增加肋片结构可以大幅提高热沉换热效果，且棱柱肋片结构提升了15.3%，明显优于圆柱肋片结构的12.2%；适当增加肋片高度可以增强热沉换热能力。关键词：多孔微射流；结构优化；强化传热；数值模拟中图分类号：TQ174.6*53文献标志码：A文章编号：10 0 0-2 2 7 8(2 0 2 3)0 3-0 58 1-0 9Structure Optimization and Heat Transfer Characteristics of MultipleHoles Array Microjet Heat SinkZHONG Ming,ZHAN Yuangen,SUN Jian,LI Jie(1.School of Materials Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic University,Jingdezhen 333403,Jiangxi,China;2.Schoolof Information and Engineering,Jingdezhen Ceramic University,Jingdezhen 333403,Jiangxi,China)Abstract:In order to solve the problem of ceramic packaging chip failure caused by too high temperature,based on a multiplehole micro jet heat sink structure,several geometric physical models and heat transfer and flow mathematical models of heatsinks with different structures were constructed,while their heat transfer and flow characteristics were numerically simulated.In order to improve the temperature uniformity of the cooled surface and improve the heat transfer and cooling effect of theheat sink,the inlet and outlet structures of the heat sink were optimized,while the heat transfer effects were compared andanalyzed when the cylindrical and prismatic fins were installed.The heat dissipation capacity of the side inlet structure isincreased by 2.7%,as compared with that of the circular return structure.The two-layer intake structure increased by 5.4%,butthe two-layer intake structure led to a sharp increase in pressure loss.The annular reflux structure is increased by 8.6%.Heattransfer efficiency of the heat sink can be greatly improved by including fin structure.The prismatic fin structure exhibited anincrease of 15.3%,which is obviously higher than that(12.2%)of cylindrical fin structure.It is therefore concluded that heattransfer capacity of heat sink can be enhanced by increasing the fin height properly.Key words:porous micro fluidic;structure optimization;strengthening heat transfer;the numerical simulation0引言近年来，在国家政策激励及市场需求的拉动收稿日期：2 0 2 2-11-17。修订日期：2 0 2 3-0 2-14。基金项目：江西省自然科学基金(2 0 2 0 2 BAB204022)；江西省教育厅科技项目(GJJ211346)。通信联系人：孙健(19 7 3-)，男，博士，教授。下，我国的芯片产业发展迅猛。与此同时，高度集成化、微型化的芯片必然导致其工作温度大幅升高，这对于陶瓷封装芯片提出了更高的要求2 。超Received date:2022-11-17.Revised date:2023-02-14.Correspondent author:SUN Jian(1973-),Male,Ph.D.,Professor.E-mail:陶瓷台報2023年6 月582过50%的芯片失效是由于芯片温度过高3 。且在器件焊料老化情况下，芯片表面存在的温度梯度会降低其使用寿命4 。由此可见，为保障陶瓷封装芯片正常运行，有必要加装散热器。目前，国内外学者针对芯片射流散热器已经进行了大量研究，研究方向包括散热器的回流孔结构、冲击高度、射流孔排布和肋片结构等。Rhee等5 通过数值模拟的方法，对有无回流孔两种结构在不同冲击高度下传热效果进行了分析，结果显示，在较小冲击高度下，有回流孔结构的传热效果更好。回流结构的存在，降低了射流过程中横向流的干扰。张永恒等6 通过实验研究了冲击高度对单个圆形射流孔射流换热的影响，随着冲击高度增加，中心区局部努塞尔数减小，但影响范围增大。刑改兰等7 通过实验的方法，研究了冲击高度和雷诺数对刀片式多排密集圆孔射流结构换热效果的影响，使用该结构可以大幅提升其换热能力。Hoberg等8 对比了三种不同冲击高度与射流孔直径比例的阵列射流模型后，发现增大冲击高度会降低换热效率，增加射流孔直径会增强换热效果。石千磊等9 通过数值模拟的方法对正方形、正六边形和菱形三种出、人口喷嘴排布形状的换热性能进行了研究，发现最优结构为正方形排布。徐亮等10 提出一种类螺纹结构的旋转射流通道，通过数值计算方法研究了螺旋角度对传热特性的影响，结果表明，该结构会加强靶面沿气流逃逸方向的冷却效果，削弱其他区域的冷却效果。梁海渊等 通过数值模拟的方法分析射流孔和针肋顺排、叉排、圆形排布以及直肋错排组合散热器结构的性能，发现圆形排布射流孔与针肋错排组合下的散热器效果最好。Smith12设计了一种三层射流冷却系统，冲击射流从上层进人底层，冲击加热面，废液通过渗出孔从中间层排除，模拟研究表明，该结构相比于传统冲击冷却方案，表面平均换热系数提高了7 5%。朱泽辉等13 通过数值计算的方法对单股冲击射流下模型的选择进行了研究，对低雷诺数k-8模型和标准k-8模型及雷诺应力模型进行对比，结果显示，低雷诺数k-8模型的效果更优。以往研究结构优化的方向多集中在射流孔排布、冲击高度和肋片排布等，对进气结构及肋片高度的优化较少。本文在上述研究的基础上，设计了一种矩阵式多孔微射流热沉结构，通过数值模拟方法研究其传热特性并对其进行结构优化。1基础模型1.1物理模型本文以一种矩阵式多孔微射流热沉结构为基础结构，以下称其为圆形回流结构。其几何结构如图1所示，图1(a)为圆形回流热沉结构3/4 模型，该结构可分为三部分，分别为上气室、下气室以及中间连接部分。冷却工质空气从流体入口进人上气室，通过射流孔从中间连接管道进人下气室，待冷空气冲击受热面后，通过回流孔从流体出口排出。其中，流体人口直径D=9.5mm，口高度Lz1=4.0mm，热沉长度L,=27.0mm，宽度L,=27.0mm，上气室高度Lz2=9.0mm，中间连接管道高度Lz3=8.0mm，流体出口高度Lz4=1.75mm，下气室高度Lzs=27.0mm，忽略壁厚。图1(b)显示了射流孔与回流孔的相对位置关系，其中，射流孔和回流孔的直径d=1.0mm，且相邻孔间距均为 4 mm。(a)Lower plenum图1圆形回流热沉结构几何示意图：(a)圆形回流热沉结构3/4 模型；(b)射流孔、回流孔位置关系Fig.1 Geometric diagram of circular reflux heat sink structure:(a)3/4 model of circular reflux heat sink structure andFluid inletLFluidoutletL24LL5Heating surface(b)position relationship between jet hole and return hole(b)Upper plenumJetholeLRefluxorifice3.50ORefluxorificeOR11.503.50R104.00Jet hole4.001.50第4 4 卷第3 期1.2数学模型考虑到在实际运行过程中物性参数受温度影响，为保证数值模型顺利运行，对热沉内流体流动及传热过程作出以下假设：(1)计算域内空气流动和换热过程是稳定的；(2)认为流体空气为不可压缩牛顿流体；(3)所有材料均常物性、无内热源；(4)环境散热、热辐射和自然对流换热在整个热沉系统忽略不计。笛卡尔直角坐标系下三维定常不可压流流动控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程。连续性方程：2Mi=0P动量方程：Px;能量方程：aTuPax;式中：i、j=1、2、3，分别表示坐标轴X、Y、Z方向；T为温度；p为流体密度；u为运动黏度；入为导热系数；c,为比定压热容。2数值模拟2.1网格划分采用控制体积法将控制方程离散化，用ICEM软件绘制网格。图2(a)为计算模型整体模型网格主视图，采用六面体结构化网格。射流冲击局部边界层较薄，为使计算结果更为准确，对冲击本冷却表面在z轴方向的网格划分进行加密处理，如图2(b)所示。图2(c)为射流及回流通道局部图，对通道流固耦合区域进行网格加密。2.2模型设置及边界条件Realizablek-湍流模型能模拟射流撞击、分离流、二次流、旋流等复杂流动，能更好地模拟圆孔射流问题。因此，选择 Realizable K-湍流模型。在求解中，以空气为工质，散热器设置为铝材质，其物性参数如表1所示。Texture of materialDensity/(kg:m-3)AirIncompressible-ideal-gasAluminum2719钟鸣等：阵列式多孔微射流热沉结构优化及传热特性研究(1)(2)x;xTx;2x;583人口边界条件设置为速度人口，速度范围为10ms-115m s-l，人口空气温度为3 0 0 K，出口边界条件为压力出口。内部壁面均设置为绝热壁面，被冷却面设置为加热壁面条件，并设置热流密度为2 8 4 6 0 Wm，虚拟厚度为4 mm。Adx;(3)表1物性参数表Tab.1 Physical parametersCP(Specific Heat)/(Jkg-l.K-l)B图2 圆形回流热沉网格划分图Fig.2 Grid division diagram of circular reflux heat sink压力修正选用 SIMPLIC 算法进行压力和速度的耦合，压力项差分方法采用SecondOrder方法。动量项、湍动能项、湍流耗散项、能量项先用一阶格式计算收敛后换成二阶格式。能量残差收敛极限设置为1.0 10-,其他均设置为1.0 10-3，当所有项都满足时认为计算收敛。2.3网格无关性验证为了节约计算成本的同时能兼顾计算精度，对射流雷诺数Rea=1997.57下的模型进行网格无关性验证，评判标准为被冷却面平均温度。如表2 所示，随着网格数的增加，被冷却面平均温度变化越来越小。当网格数为3 8 4 7 8 6 7 个时，相对误差不超过0.05%。综合考虑计算成本和精度，将被冷却面平均温度的误差不超过0.2%作为满足网格无关性的标准。因此，最终选取网格数为3 8 4 7 8 6 7 的方案。Thermal Conductivity/(W.m-l.K-l)1006.43871.000.0242202.4000陶瓷報2023年6 月4.00 584Tab.2 Grid independence verificationNumberof gridscooled surface/K1981207344.882503084345.123024295345.353847867345.495318160345.543结构优化3.1改变进气结构如图3(a)所示，在基础模型的基础上，将上气室用孔板分隔成两个部分，目的在于使上气室(a)Fluid inletLDFluidoutletL24Lower plenum图3 改变进气结构几何示意图：（a)两层进气热沉结构3/4 模型；(b)侧面进气热沉结构1/2 模型Fig.3 Schematic diagram of changing intake structure geometry:(a)3/4 model of two-layer inlet heat sink structure and(a)3.50Upper plenum4.30L2Jet holeFluid outletLLRefluxorifice25LowerplenumHeatingsurface图4 环形回流热沉结构几何示意图：(a）环形回流热沉结构3/4 模型；(b)回流孔与射流孔位置关系Fig.4 Geometric diagram of annular reflux heat sink structure:(a)3/4 model of annular reflux heat sink structure and表2 网格无关性验证Average temperature of theL门Heating surfaceFluid inletLD(b)position relationship between return hole and jet hole的压力均匀分布，从而使气体通过射流孔后的流速更加均匀。其中，Lz21=4 mm、L z 2 2=5mm，均压孔直径与射流孔相等。图 3(b)将基础模型的流体入口改在了热沉上气室右侧面正中心，目的在于降低射流孔与流体入口之间距离对流速的影响；梯形设计的目的在于均匀上气室的压力，使通过射流孔的气流速度尽可能相同。其中，Lz7=14 mm、L x 1=2 mm、L x 2=3 3 mm、L z 6=2 mm。3.2改变回流结构如图4(a)所示，将基础模型的圆形回流出口改为环形回流出口，均匀分布在射流孔四周，扩大了回流孔面积的同时，环形的设计也能使回流气体更快地排出。图4(b)为环形回流与射流孔相对位置关系。(b)Jet holeUpper plenumL2Jet holeRefluxorifice(b)side inlet heat sink structure 1/2 modelL2.502.70TODOXOOXOTR2.80(OOXOOXODOR3.80OOXO2.50Refluxorifice1.88Upper plenumLFluid outletZ5Heating surface(b)DFluidinletLRefluxorificeLower plenumL3.504.50Jet hole2.50R11.88第4 4 卷第3 期3.3增加肋片结构图5为带肋片散热器结构示意图。其中，图5(a)为带圆柱肋片热沉，圆柱肋片直径为1mm。图5(b)为带棱柱肋片热沉。棱柱肋片长和宽均为1 mm；肋片板厚度s=2 mm、高度 H=2 mm。(a)钟鸣等：阵列式多孔微射流热沉结构优化及传热特性研究585侧存在较大程度偏移与变形；而其余三种顶面进气结构的冷区都呈“正方形”，位于被冷却面正中心，且冷区四角面积偏小。就整体温度而言，从高到低依次是圆形回流结构、侧面进气结构、两层进气结构以及环形回流结构。355350345-CircularrefluxSide airintake一AnnularrefluxTwo layerair intake-Cylindrical fin+PrismaticribSCylindrical fin(b)Prismatic rib图5带肋片热沉结构几何示意图：（a)带圆柱肋片热沉结构；(b)带棱柱肋片热沉结构Fig.5 Geometric diagram of finned heat sink structure:(a)heat sink structure with cylindrical fins and(b)prismatic fin heat sink structure4数值结果与分析4.1热沉温度分布图6 为六种结构被冷却表面平均温度随射流雷诺数变化曲线图，随着射流雷诺数的增加，六种结构被冷却表面的温度均呈现下降趋势。其中，带肋片的两种结构被冷却面平均温度明显低于不带肋片的四种结构。被冷却表面平均温度从低到高依次是棱柱肋片结构、圆柱肋片结构、环形回流结构、两层进气结构、侧面进气结构和圆形回流结构图 7(a)、(b)、(c)、(d)分别为圆形回流、环形回流、两层进气以及侧面进气结构在相同射流雷诺数(Rea=1997.57)下被冷却表面的温度场。从图中不难看出，射流冲击处呈现圆形低温区域，回流孔对应位置温度较高且存在温度梯度，四个角落温度最高。其中，侧面进气结构的冷区呈“左箭头形”，位于被冷却面中心偏左，且“箭头”内H1.53.53.53.53.53403353301600图6 六种结构被冷却表面平均温度随射流雷诺数H1.51800变化曲线图Fig.6 Average temperature of cooled surface of sixstructures with jet Reynolds number图8 为带圆柱肋片以及带棱柱肋片两种带肋片结构的被冷却表面及背面温度场。其中，图8(a)、(b)、(c)、(d)分别为圆柱肋片被冷却表面、棱柱肋片被冷却表面、圆柱肋片背面以及棱柱肋片背面的温度场。由图8 可知，肋片的加入使得被冷却面温度分布呈圆形扩散状，中心温度偏低，四周温度偏高，相比于无肋片结构温度梯度较少，不存在温差特别大的区域。圆柱肋片结构被冷却表面以及背面的整体温度都比棱柱肋片结构的高，两者温差在2 K以内。这是因为棱柱肋片的表面积比圆柱肋片的大，增大了散热面积。4.2热沉流场分布图9 为不同结构不同切面的压力场一流迹图。图9(a)从上至下依次是圆形回流结构与环形回流结构1/4 模型下气室在x=2切面的压力场一流迹分布图。由图可知圆形回流结构的压力范围在6 0 0 Pa6 8 0 Pa，远高于环形回流结构50 Pa200Pa。这是因为环形回流结构回流孔的面积较大，加快了射流气体的流出，导致下气室压力较低。从流迹不难看出，圆形回流结构的射流气体冲击被冷却面后形成的漩涡大小不一，而环形回流结构漩涡大小相当，分布较均匀。图9(b)中从左至右分别是圆形回流与两层进气结构1/4 模型上2000Rea220024002600陶瓷報2023年6 月586(b)T/K:345.0 345.1 345.2 345.3 345.4 345.5 345.6 345.7 345.8 345.9 346.0 T/K:341.1 341.2 341.3 341.4 341.5 341.6 341.7 341.8 341.9 342.0 342.1 342.2T/K:342.6 342.7 342.8 342.9 343.0 343.1 343.2 343.3 343.4 343.5 343.6 T/K:343.9 344.0 344.1 344.2 344.3 344.4 344.5 344.6 344.7 344.8(c)Fig.7 Temperature distribution of the cooling surface of finless structure group气室在x=2切面的压力场一流迹分布图。由图可知，圆形回流结构上气室存在较大的漩涡，耗散了一部分射流冲击能量，导致远离流体入口的射流孔处射流强度较低；然而两层进气结构由于分层缩小了漩涡的活动范围，虽然上层空间压力较大会造成较大的压损，但是，下层空间压力分布更均匀，可以削弱射流孔与流体入口距离对射流流速的影响。图9(c)为侧面进气结构在(-0.0 13,0.011,0.011)、(-0.0 13,0.0 12,0.0 11)、(0.0 13,0 0 13,0.017)三点确定的平面上的压力场一迹线分布图，不难发现流体入口正对处压力最大，流体人口旁边压力最低，且形成了涡旋，这导致了不同射流孔的射流强度不均。(d)图7 无肋片结构组被冷却表面温度分布图4.3平均对流换热系数对流换热系数能表现流体与固体表面之间的换热能力，其公式如式(4)：h=T-T式中：q为加热面的输入热流密度；T为被冷却表面的平均温度；Ti为流体人口温度。图10 为六种结构被冷却面平均对流换热系数随射流雷诺数变化曲线图。随着射流雷诺数的增加，被冷却面平均对流换热系数呈上升趋势。带肋片组的平均对流换热系数要比不带肋片组的高。平均对流换热系数从大到小依次是棱柱肋片结构、圆柱肋片结构、环形回流结构、两层进气结构、侧面进气结构和圆形回流结构。(4)第4 4 卷第3 期4.4肋片高度影响图11显示了棱柱肋片结构下肋片高度对被冷却面平均温度的影响。随着被冷却肋片高度的逐渐增加，被冷却表面积逐渐增大，平均温度也随之降低，但是降低的幅度不同。以Rea=2497.00时为例，当肋片高度以0.5mm的增长幅度逐级递增时，被冷却表面的平均温度下降幅度分别为2.38K、2.0 9 K、0.50 K 和0.9 9 K。考虑到增加肋片高度所需要的金属材料更多，同时对射流空间的高度要求也更高。所以在这一组别中，肋片高度为2 mm更合适，在有限的射流空间内，既大幅增强了换热效果，又节约了材料。钟鸣等：阵列式多孔微射流热沉结构优化及传热特性研究口温度；Q为加热面热流量。图12 为不同结构热阻随射流雷诺数变化曲线图。随着射流雷诺数的增加，热阻呈下降趋势。从图中可知，棱柱肋片结构散热器性能最好，其次是圆柱肋片结构，然后是环形回流结构，接着是两层进气结构，侧面进气结构次之,最后是圆形回流结构。(a)5874.5散热器性能评价选取热阻作为评价散热器性能好坏的标准，热阻越小其散热能力越强，反之则越弱，其计算公式如式(5):T-TinRab=Q式中：T为被冷却表面的平均温度；Tn为流体入(b)(5)口口口口口口T/K:338.0338.3338.6 338.9339.2339.5339.8340.1340.4340.7341.0(c)图8 带肋片结构组被冷却表面与背面温度分布图Fig.8 Temperature distribution of the cooled surface and back of the ribbed structure group(d)陶瓷含報5882023年6 月Pressure/PaPressure/PaPressure/Pa:6006086166246326406486566646726802400380Pressure/Pa:50658095 110125140155170185200(a)25002470244024102380235023202290226022302200(b)Pressure/Pa:图9不同结构不同切面处压力场-流迹图：(a)圆形回流与环形回流切面；(b)圆形回流与两层进气切面；(c)侧面进气切面Fig.9 Pressure field flow trace diagram at different sections of different structures:(a)circular reflux and annular reflux section,(b)circular return flow and2370.02378.62387.22395.82404.42413.02421.62430.22438.82447.42456.0(c)two-layer inlet section and(c)side intake section900800700350CircularrefluxSide air intakeAnnularrefluxTwolayerair intakeCylindrical finPrismatic ribH-1.0H=1.5-H-2.0345-H=2.5H=3.03406003355001600图10不同结构被冷却面平均对流换热系数随射流雷诺数变化曲线图Fig.10 Average convective heat transfer coefficient ofcooling surfaces with different structures with1800jet Reynolds number2000Re2200240026003301600图11不同肋片高度的棱柱肋片热沉结构被冷却表面平均温度随射流雷诺数变化曲线图Fig.11 Average temperature of cooled surface of prismaticfin heat sink structure with different fin heights versus1800jet Reynolds number2000Rea220024002600第4 4 卷第3 期2.62.42.22.01.81.61600图12 不同结构热阻随射流雷诺数变化曲线图Fig.12 Thermal resistance of different structures withjet Reynolds number5结论通过数值模拟的方法，研究了阵列式多孔微射流热沉六种不同结构共四组对照组的传热特性，通过流动特点分析了不同结构热沉传热效果差异的原因。（1）相比于圆形回流的基础结构，侧面进气结构散热能力提升了2.7%，两层进气结构提升了5.4%，但两层进气结构会导致压损剧增；(2）环形回流结构比圆形回流结构散热能力提升了 8.6%;(3）增加肋片结构可以大幅提高热沉换热效果，且棱柱肋片结构提升15.3%明显优于圆柱肋片结构的12.2%;(4）随着肋片高度的增加，热沉的换热能力也逐渐增加，适当增加肋片高度可以增强热沉换热能力。参考文献：1杨莹，张志娟，芦娜中国芯片产业发展路径选择研究.现代雷达,2 0 2 1,4 3(11):9 6-9 7.YANG Y,ZHANG Z J,LU N.Modern Radar,2021,43(11):9697.2 张光磊，郝宁，杨治刚，等电子封装陶瓷的研究进展J.陶瓷学报,2 0 2 1,4 2(5)：7 3 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