喷雾冷却下的大型电子设备喷雾倾角对冷却效果的综合研究 理论和实验研究的指导

© 2013由Elsevier B.V.发布。可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectIERI Procedia 4（2013）118 - 1252013年电子工程与计算机科学喷雾倾角对大型电子设备张鹏a，b，林阮b*a中国科学院大学，北京100190b中国科学院电气工程研究所，北京100190摘要喷雾冷却作为一种高效节能的冷却方式，有望成为未来大型电子设备具有竞争力的冷却方案。迄今为止，人们对喷雾冷却进行了大量的理论和实验研究。但目前还很少有针对喷雾倾角变化对喷雾冷却效果影响的综合研究。本文首先详细推导了不同喷雾倾角下喷雾作用区的边界曲线方程和目标区实际流量的计算公式，然后在计算机上实现了其算法，并对典型结果进行了比较分析。所得结论对喷雾冷却的实验研究和工程应用具有指导意义。© 2013作者。由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：喷雾冷却;喷雾倾角;理论研究1. 介绍随着电子电气设备的小型化和高密度化，散热问题变得越来越突出。以高性能计算领域的超级计算机为例，随着CPU等电子芯片的功率密度和计算机集群的部署密度越来越大，传统的风冷系统能耗高、噪音大，远远不能满足*通讯作者。联系电话：+86 10 82547096;传真：+86 10 82547097。电子邮件地址：rosaline@mail.iee.ac.cn2212-6678 © 2013作者由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究所负责的选择和同行评审doi：10.1016/j.ieri.2013.11.018Peng Zhang和Lin Ruan / IERI Procedia 4（2013）118119现在的冷却要求。实际上，大多数故障是由过热引起的[1-2]。这就需要高效节能的冷却技术来冷却大型电子设备。喷雾冷却以其高效和节能而闻名，直接将冷却介质喷洒在加热器表面。介质通过升温甚至汽化来带走热量。喷雾冷却具有换热环节少、介质消耗少、噪音低的特点。与空气冷却相比，其最大的优点是具有无可比拟的冷却效果和较低的功耗，这使得它有可能成为未来大型高热流密度电子设备冷却问题的有效解决方案。由于大型高密度电子设备内部空间有限，需要冷却的加热器数量多，喷嘴不能垂直向加热器表面喷射介质，必须以一定的倾斜角度喷射。因此，研究喷雾倾角与实际传热量的关系是研究者的当务之急。事实上，关于这个问题的讨论无论是在实验上还是在理论上都相对较少。文献[3]对此有参考，但只关注椭圆的情况，没有更全面的分析。本文从理论上分析了喷雾倾角对喷雾冷却的影响，首先详细推导了不同喷雾倾角（SIA：喷雾倾角）下的BSAA（BSAA：喷雾作用区边界）曲线方程和目标区实际流量计算公式，并进一步实现了其算法并对几种典型的仿真结果进行了对比分析2. 理论分析本文所涉及的喷嘴均为全锥喷嘴。如图所示2-1、各符号的物理意义如下：命名法：锥角，即喷嘴：SIA，垂直喷向作用面时定义为0 N0：有喷嘴，即锥尖H：N0与作用面N：作用面圆锥轴的交点。C：中间变量，定义如下：图2.1喷淋示意图120Peng Zhang和Lin Ruan / IERI Procedia 4（2013）1182.1. 不同结构放大器显然，当=0时，垂直于作用面喷射，BSAA为图2-1所示的圆形。而0时，BSAA为二次曲线。随着SIA的增大，BSAA将变为椭圆形、抛物线形，双曲线的一个分支[4]。下面是BSAA曲线方程的数学推导。当= 0时，BSAA是一个圆：显然，BSAA的曲率方程为：（2-1）在这里，当0/2- /2时，BSAA为椭圆：当0/2- /2时，喷嘴喷出的介质仍全部落在作用面上，即BSAA关闭。然而，它不是圆而是椭圆，如图2.2（a）所示。下面是椭圆的标准方程。有四个参数需要确定，显然y0 = 0，另外，椭圆的长轴A和短轴B以及椭圆的位置x0是不确定的。N1(a)（b）第（1）款图2.2 BSAA是一个椭圆：所以，然后，椭圆的位置可以由长轴A和长度推导出来：然后将N1的坐标（XN1，YN1）代入椭圆方程，即可确定短轴B。如图1所示的空间几何关系。2.2（b）：n0的/2H一个2OA1N2AN1YA1OXN2B2A一个2n0的/2HyONxPeng Zhang和Lin Ruan / IERI Procedia 4（2013）118121n0的/2HONYO的1XN1N的1所以，根据上述情况：（2-2）其中：在这里，当= /2- /2时，BSAA为抛物线：随着喷雾进一步扩大，/2- /2或/2- /2，部分介质会从作用面掉出。在在这种情况下，喷雾作用区域将不是封闭区域，而是具有无限开口的区域。当= /2- /2时，如图2.3所示，BSAA为抛物线。以下是抛物线的标准方程。有两个参数需要确认。（2-3）图2.3 BSAA为抛物线很显然，122Peng Zhang和Lin Ruan / IERI Procedia 4（2013）118n0的H/2N一个2O的1N1Y一个2O的1NX轴线/2/2=？母线渐近线参数P也可以通过将N1的坐标代入抛物线方程中得到在这里，当 /2- /2/2+ /2，BSAA是双曲线的一个分支：当> /2- /2时，BSAA是双曲线的一个分支，一般如图2.3所示。作为 扩大 和/2+ /2，所有的介质都将从作用面上掉下来，这在这里没有讨论的意义。下面是双曲线的标准方程。有三个参数需要确认。但在双曲线的情况下，这是相对复杂的参数X0和A应该是决心第一。在图2.4（a）中，喷管的单个锥体扩展成一对轴对称锥体。换句话说，双曲线的原始一个分支被扩展为完整的双曲线。所以，将N1的坐标代入方程求参数B是不可行的因为当/2- /2/2，锥轴与作用面相交，产生交点N，BSAA上的点N1也存在。但当=/2+ /2时，锥轴这(a)（b）第（1）款图2.4 BSAA为双曲线B可以由双曲线渐近线的斜率K来确定，下一步就是求出渐近线斜率K，证明了：当和固定时，改变H它Peng Zhang和Lin Ruan / IERI Procedia 4（2013）118123意思是：。假设H=0的极端情况，双曲线将变成两条直线，这是渐近线。它们实际上是圆锥的两个母线，其夹角可设为。下面是K的推导过程，设H = 0.在图2.4（b）中，MN是圆锥轴上除圆锥点N0以外的任意点.由MN画出两条母线之一的垂线，求出交点M，然后将M与MN在平面上的投影M0OMM0是直角。然后又道：根据上述情况：（2-4）其中：在这里，2.2. TA中实际流量的积分公式实际上，工程师或设计人员只关心喷雾作用面上某个或某几个区域（如需要冷却的受热面）的传热。这些区域被称为TA（TA：目标区域），并且更多地关注TA中的实际介质通量。从理论上讲，TA中的实际总流量可以通过TA中的流量密度矢量的曲面积分得到。以上讨论了BSAS的电流方程。下一步是获得TA中的流量密度。下面将进一步讨论流量密度的数学表达式。当=0时，BSAA是一个圆。其中心区域靠近喷嘴出口且出口垂直于表面，该区域获得的介质流量最大;而边缘区域远离喷嘴区域且喷雾角倾斜，该区域获得的介质流量最小。因此，目标区域中的实际介质流量与到喷嘴的距离和喷射角度有关。假设来自全芯锥的介质流均匀分布在以锥形尖端（喷嘴出口）为中心的球体上。换句话说，如果到两个点的尖端的距离相同，则在任何两个点（圆锥内部）中的介质流密度相等。此外，流动密度的方向是从锥形尖端到该点。124Peng Zhang和Lin Ruan / IERI Procedia 4（2013）118在这个假设的基础上，很自然地得到以下结果。在这个圆锥中任何点e的流动密度为：式中，L为从喷嘴出来的总喷雾流量;R为锥尖到点e的距离;R为对应于雾化的圆周面积在半径为R是从锥尖到这一点的单位向量。所以，其中：n0的HO的1NYA1OXs（x，y）S2S1图2.5目标区域S在整合之前，应确认是否已喷涂整个目标区域。如图2.5所示，实际积分区域是没有S1的阴影区域S2根据以上内容，TA中实际流量的积分公式（2-5）其中：Peng Zhang和Lin Ruan / IERI Procedia 4（2013）1181253. 模拟与分析根据中间变量C、边界曲线方程（2-1）~（2-4）和积分公式（2-5），可方便地计算出任意喷雾角下的流量分布。作者用MATLAB编程实现了这一点。下面简单分析一下典型的仿真结果。图3.1（a）显示了改变喷雾角而保持喷雾高度H不变时的喷雾作用区域和内部的流量分布情况。结果表明，随着喷雾角的增大，喷雾作用面积也随之增大，BSAA由封闭的椭圆逐渐变为开放的双曲线。另外，随着喷雾角的增大，气流密度逐渐减小，上述计算分析均符合实际。n0的HO的1NYOXNN1(a)（b）第（1）款图3.1喷雾作用面积及其流量分布当只考虑任意喷雾角下的流场密度情况时，发现流场密度分布严重不均匀。图3.1（b）显示了雾化角为40°和喷雾角为40 °时的流量分布。 =45°。用直线分离椭圆SAS后，左边的，比较近。结果表明，喷嘴面积仅占整个椭圆面积的27.4%，但却获得了总流量的一半，右侧距喷嘴较远，流量密度较低，仅占整个椭圆面积的72.6%，而且随着喷雾角的增大，分布不均匀的情况更加严重。引用[1] 雷俊熙等，芯片液体冷却技术研究进展[J].科学技术与工程，2008，8（15）：4256-4263.[2] Richard C.楚IBM资助的计算机散热技术研究与开发项目综述[R].第十五届IEEE SEMI-THERM研讨会，1999：151-165。[3][2]刘晓波，李晓波，等.喷雾倾斜对两相流喷雾冷却特性的影响[J].传热与传质，2008，51：2398-2410.[4] 李晓松.圆锥曲线的几何性质[M].北京：科学出版社，1999.