PDF《矩形肋片热沉火积耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较...》

1 引言现代工业和科技的快速发展使各种微机械、 芯 片和微电子的集成度越来越高, 散热性能的优劣不 仅影响到系统整体性能的发挥, 更会对系统的安全 性造成严重威胁. 因此, 热沉的散热性能及其优化 设计 [1] 成为国内外众多学者研究的焦点. 因矩形直肋热沉具有简单的结构、合理的制 造成本和良好散热性能等特点而得到广泛应用和 研究 [2?7] . Jones 和Smith [8] 在给定基底面积的约 束下, 以最大换热率为优化目标, 优化了水平放置 矩形直肋热沉的最优肋片间距. Culham 和Muzy- chka [9] 采用非线性非约束优化方法, 以熵产最小 化为目标, 对矩形直肋热沉进行了优化. Shih 和Liu [10] 以熵产最小化为目标, 对处于层流流动中 水平放置的板翅式热沉进行了研究, 并分析了冷 却流方向对结果的影响. 之后 Zhou 等[11] 在湍流 条件下对相同结构进行了研究. Zhang 和Liu [12] 在等温层流自然对流条件下, 以最大换热密度为 目标, 优化了垂直放置的矩形直肋热沉的肋间距. Arularasan 等[13] 以最大散热量为优化目标, 采用 CFD 仿真软件研究了矩形直肋热沉, 得到了热沉 的最优几何参数, 并用实验验证了仿真结果的正确 性. Li 等[14] 实验研究了采用压电风扇冷却的板肋 热沉的热 -流特性, 并分析了风扇形状、 位置和热沉 尺寸对热阻的影响. Lindstedt等[15] 以质量最小为 优化目标, 在强迫对流条件下对矩形、 三角形和梯 ? 国家自然科学基金 (批准号: 51206184, 51176203, 51356001, 51579244) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: lingenchen@hotmail.com ?

2015 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 204401-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 64, No.

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204401 形肋片热沉进行了研究, 并比较了不同肋片形状的 热沉散热性能. 构形理论 [16?27] 自1996 年由 Bejan [16] 提出以 来, 在热沉的优化设计中逐渐得到了应用 [28?33] . Muzychka [28] 在给定热沉体积的约束下, 以最大换 热率密度为目标, 对强迫对流条件下的微通道热沉 进行了构形优化, 并对热沉进行了热力学和水动力 学特性分析. Moreno 和Tao [29] 在给定热沉体积的 约束条件下, 以最大温差最小为目标, 对微对流条 件下的三维热沉进行了构形优化. Muzychka [30] 在 给定热沉材料总体积的约束下, 以最大换热密度为 目标, 对微管热沉进行了多尺度构形优化. Bello- Ochende 等[31] 在给定热沉单元体积和导热材料体 积的约束下, 以全局热导率最大为目标, 对矩形微 通道热沉进行了三维构形优化设计, 得到了矩形微 通道单元的最优纵横比和体积分数, 之后又进一步 优化了轴向长度和单元厚度比 [32] . Xie 等[33] 以总 热阻最小化为目标, 对多级分叉微通道热沉进行了 构形优化. 上述对热沉的构形优化本质上是以传热率最 大化或最大热阻最小化为目标, 这并不能满足热沉 在传热过程中对整体散热性能的需求. 为了寻求 反映传热本质属性的物理量, 过增元等 [34,35] 引入 了描述物体所具有的热量传递总能力的新物理量 ――火积(该物理量曾被称为热量传递势容 [36] ), 并 以此为基础提出了火积耗散极值原理和最小热阻原 理等理论, 使传热优化有了新的理论依据和评判 准则, 并应用于诸多领域 [37?50] . 当以降低平均传 热温差、 提高热沉整体平均散热性能为目标时, 应 该采用基于火积耗散率定义的当量热阻为优化目标. 将火积耗散极值原理应用于矩形直肋热沉中得到了 学者的关注. 郑建林和罗小兵 [51] 以火积耗散率最小 为优化目标, 在自然对流条件下采用解析法对矩形 直肋热沉的传热性能进行了研究, 结果表明在一定 的肋高范围内, 存在最佳肋片间距使得矩形肋片 无量纲当量热阻取得最小值. 贾琳等 [52] 进一步比 较了火积耗散率最小和熵产最小下的矩形直肋热沉 传热性能, 结果表明在恒壁温条件下, 熵产最小原 理不再适用, 而火积耗散极值原理仍具有较好的适用 性. Cheng 等[53] 以基于火积耗散概念定义的当量热 阻为优化目标, 在对流换热条件下对二维矩形肋片 进行了优化, 得到了肋片的最优纵横比, 讨论了换 热系数和材料热导率对平板肋片最优纵横比的影 响. 结果表明, 当加热表面温度固定时, 最小当量 热阻对应最大换热率;