振盪式熱管之數值模擬

Numerical Study of Oscillating-flow Heat Pipe

梁淳恩(Chun-En Liang)

指導教授 ： 李世鳴

淡江大學/工學院/航空太空工程學系碩士班/碩士(2013年)

https://doi.org/10.6846/TKU.2013.00338

摘要

本論文的主要研究方向是在探討於三維多彎頭閉式迴路結構振盪式熱管，由於晶片組或處理器的熱流密度隨製程快速進步，晶片組體積漸小且處理器核心數朝多核心發展同時大幅度的增加，藉由傳熱效果更佳的散熱技術解決熱密度分布不均情況和高熱流密問題已成為限制此類型產品發展的最大瓶頸之一，而振盪式熱管在微尺寸電子散熱應用上有極大優勢。目前的電子散熱模組幾乎為非垂直擺設,但是大多數振盪式熱管數值模擬研究多專注二維特定區域的傳熱機制分析，此方法只能解決垂直擺設的問題，吾人嘗試藉由數值模擬三維振盪式熱管來解決其非垂直擺設傳熱機制與物理現象。

吾人先使用商用軟體SolidWorks 2011生成三維振盪式熱管模型組件，並且使用商用軟體ANSYS 14.5版(WorkBench) 依序給定格點生成網格後，以商用套軟Fluent內建多項流模式(混合模組)，並於連續方程式，能量方程式當中藉由加入源相來模擬三維振盪式熱管工作流體的汽液兩相變化。

本文的數值求解方法中，壓力-速度耦合使用SIMPLE算則，在離散選項中，將壓力採取物體力加權(Body force weighted) ，動量，體積比率選取QUICK離散格式，能量方程是選用一階上風法(First order upwind scheme) ，振盪式熱管內部填充率為50%進行求解。

並將本研究數值模擬計算結果與有詳細實驗資料的三維振盪式熱管問題加以驗證，證明本文採用數值方法與離散方法確實對於三維振盪式熱管物理機制，傳熱性能分析具有適用性，且進一步選取不同工作流體填充率和不同傾斜角度將其數值結果與實驗最佳化值作分析。

關鍵字

三維振盪式熱管 ； 傾斜角 ； 填充率

並列摘要

This paper discusses numerical studies of the heat transfer characteristics at vertical heating state of a 3-D closed loop oscillating heat pipe(CLOHP),
the parameters studied were working fluid filling ratio ,and inclination angle.

A set of copper-tube CLOHP with internal diameter of 1.3mm,consisting of 4meandering turns and characteristic heat transfer length of 100mm was used in this study.

The CLOHP condenser ,and evaporator section length both are 20mm,working
fluid in this study was used water with filling ratio is 50% of total volume of the tube.

The result shows that in this study the model ,numerical method which we chose can predict heat transfer mechanism of 3-D CLOHP, and with different filling ratios ,and inclination angles .Verticl heating modle and filling ratio is 50% compare with others inclination angles ,and filling ratio ,it heat resistance is the optimum.

並列關鍵字

3-D OHP ； Inclination angle ； Filling ratio ； SIMPLE ； QUICK

參考文獻

[3] Zhang, H. and Faghri, A. “Advances and Unsolved Issues in Pulsating Heat Pipes”, Heat Transfer Engineering, Vol. 29 (1), pp. 20-44.

[5] Akachi,H.,Structure of a heat pipe, US Patent: 4921041, 1990.

No.Hei6-97147, 1994.

[10] Khandekar, S., Schneider, M., Schafer, P., et al. “Thermofluid dynamic study of flat-plate closed-loop pulsating heat pipes” ,Microscale Thermophysical Engineering, 2002,6(4):303-317.

[13] Khandekar, S., Dollinger, N., and Groll, M., “Understanding Operational Regimes of Pulsating Heat Pipes: An Experimental Study “, Applied Thermal Engineering, 2003.23(6):707-719.