[发明专利]用于研究分析微槽平板热管传热性能的数学建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于研究电子器件散热用的微槽平板热管传热性能的数学建模方法，可应用该方法的技术领域包括：太空的热控制、电子器件的散热及生物医学等领域。

背景技术

随着微电子技术的发展，IC芯片集成度按摩尔定律呈每两年翻一倍的速度增长，使得芯片热流密度提高，散热空间减小。为了电子器件的冷却，1984年，提出了微热管的概念。而管式微热管由于受热面积和冷却面积的局限性制约了其在微电子冷却方面的进一步发展，微槽平板热管已成为热管研究和开发的重点。

微槽平板热管虽然结构简单，但内部发生的物理过程十分复杂，如工质的相变换热，液态和汽态工质在管内的粘性流动；汽液界面上由于两相流体高速反向流动产生的剪切力作用；沿轴向和径向热管壳体的导热问题等，有些机理未能达成共识。目前对微热管的研究集中在理论和实验两大块，理论上研究以建模为主。但也存在着不足之处如：对热管内液体拥塞段长度，重力倾角影响等方面计算不够精确，采用固定的摩擦系数——雷诺数积，忽略汽液界面摩擦剪切力沿轴向的变化等。

发明内容

本发明为了克服目前热管建模存在的问题，在研究前人所建模型基础上，充分考虑槽道内汽-液界面剪切摩擦力对热管传热性能的影响，对矩形槽道平板热管内部的流动和换热过程建立数学模型。具体实施过程为：

1.建模简化

本文在建模时做如下简化：

(1)微槽平板热管启动性能好，一段在加热后30秒内温度可基本稳定。因此，本文在热管稳态下建模。

(2)由于热管轴向的汽液界面曲率半径远大于垂直于轴向的截面弯月面半径。因此，假设汽液界面弯月面半径仅沿轴向变化。

(3)工质的流动简化为轴向的一维不可压缩的毛细流动，其速度、压力等参数均取截面上的平均值。

(4)蒸发段只考虑弯月面液体的蒸发，冷凝段只考虑汽在液体弯月面上的凝结换热。

(5)忽略冷凝段液体拥塞现象。

2.建立数学模型

通过简化后建立数学模型方程如下：

(1)平板热管正常工作的条件：Δp_cap≥Δp_v+Δp_l+Δp_g(忽略了蒸发和凝结过程的相变压差)

其中毛细压差Δp_cap＝Δp_e-Δp_c蒸发段毛细压差冷凝段毛细压差

Δpc=2σcosθcrc;]]>

Δp_v、Δp_l为蒸汽和液体沿轴流动的压力损失。

Δp_g为液体自的体积力使液体两端产生的压差，称为重压压头，表达式为Δp_g＝ρ_lgL_tsinφ

(2)质量守恒方程：截面工质质量流量：

其中蒸汽截面平均流速

液体截面平均流速

假设热管槽道表面粗糙造成残留液量为总充液量的m％。并忽略冷凝段的液体拥塞，则总充液量(积分液量)

(3)能量守恒方程：工质液体轴向质量流量变化式为：