中原大學 機械工程學系 碩士學位論文
柱型散熱鰭片幾何尺寸影響熱傳性能之研究
Effect of Dimensions of Cooling Pin-Fins on Heat Transfer Performance
指導教授：蔡瑞益 研究生：劉興和 中華民國九十四年七月
中文摘要
本文主要研究空氣噴射沖擊散熱鰭片冷卻熱點之熱傳狀況。散熱鰭片的幾何尺寸與雷諾數，是影響冷卻效果的主要研究參數。其中散熱鰭片為9×9 數組式柱型鰭片，散熱鰭片底部尺寸為70mm×70mm×3mm，鰭片寬度分別為4mm、5mm、6mm，高度分別為30mm、40mm、50mm，雷諾數范圍5000~30000，熱點尺寸為30mm×30mm，其熱功率30W，使用計算流體力學軟件包PHOENICS，仿真采用紊流模式，計算探討溫度場與鰭片流道中壓力分布。
本文經模擬分析，得出在下列三種條件參數下有較好的散熱效果：(1)雷諾數為30000 時。(2)鰭片寬度為6mm 時。(3) 鰭片高度為50mm 時。
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ABSTRACT
The main purpose of this study is to research the heat transfer of hot spot for air impingement flow on a heat sink. The dimension of heat sink and Reynolds number are the main parameters affecting the cooling efficiency. In this study, the heat sink is square pin-fin and a 9×9 pin-fin array. The dimension of heat sink base is 70mm×70mm×3mm, and a fin width is 4, 5, and 6 mm, height is 30, 40, and 50 mm. The range of Reynolds number is 5000~30000, and the dimension of hot spot is 30mm×30mm, and the power is 30W. The PHOENICS software CFD package is used for calculating the temperature field and the pressure of heat sink channel.
After the model had simulation and analysis, we can find three better characteristic conditions for cooling efficiency: (1) Reynolds number is 30000. (2) heat sink width is 6mm. (3) heat sink height is 50mm.
志 謝
本文之得以順利完成，首先要感謝恩師 蔡教授瑞益，兩年來的鼓勵及協助指導，每每在遇到因惑瓶頸時，再三地解釋疑惑，使我在這過程中受益匪淺，師恩浩瀚，銘感于心。同時也感謝口試委員 張永鵬老師、梁龍驥老師細心的指正與建議，使得本論文能更趨于完備，助學生于求學的知識上更上一層樓。
其次要感謝學長馨德、俊豪、桂勛、建勝、傳宗、政忠、仲豪的大力傳承，與在研究期間給予的協助與鼓勵，同窗好友爵辰、家榮，在這段期間彼此提攜與相互砥礪，以及學弟士航、仕杰、宇書，在著作倫文期間的幫忙，有大家的陪伴讓我的研究生涯更加的精采豐富。
最后感謝我的家人，在求學的過程中一直辛苦栽培與支持我的父母親，以及姊姊與哥哥對我的鼓勵與照顧，每當我受到挫折時給予我最大的關心與包容我的任性，僅以此書與所有關懷我的人分享。
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目 錄
中文摘要 . Ⅰ
ABSTRACT . Ⅱ
志謝 .. Ⅲ
目錄 .. Ⅳ
圖目錄 . Ⅶ
表目錄 . Ⅸ
符號說明 . Ⅹ
第一章 導論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 2
1-3 本文架構 ..3
第二章 問題描述與文獻回顧 ..4
2-1 問題描述 4
2-2 文獻回顧 6
第三章 統御方程式 . 11
3-1 統御方程式 .11
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3-2 紊流模式 .14
3-3 邊界條件 .15
第四章 數值方法 .. 17
4-1 PHOENICS 的結構 ..17
4-2 PHOENICS 的應用 ..19
4-3 松弛系數與收斂標 ..22
4-3-1 松弛系數 22
4-3-2 收斂標準 23
4-4 PHOENICS 的源項 ..24
4-5 迭代的等級 .24
4-6 Q1 數據輸入文件介紹 25
第五章 結果與討論 . 31
5-1 文獻與本文比較 31
5-2 不同數組式鰭片之比較 .32
5-3 溫度場與壓力場之分析 .33
5-3-1 噴嘴速度對系統的影響 .33
5-3-2 散熱鰭片的影響 ..33
VI
第六章 結論與建議 . 77
6-1 結論 ..77
6-2 建議 ..77
參考文獻 . 79
簡歷 .. 82
圖目錄
圖2-1 散熱鰭片之示意圖8
圖2-2 噴流沖擊散熱鰭片冷卻熱組件模型示意圖9
圖2-3 w=4mm，H=96mm 流道模型格點分布..10
圖2-4 w=5mm，H=106mm 流道模型格點分布10
圖2-4 w=6mm，H=116mm 流道模型格點分布10
圖4-1 PHOENICS 的結構圖28
圖4-2 PHOENICS 使用的有限體積模型圖29
圖4-3 PHOENICS 之流場計算流程圖..30
圖5-1 w=5.08mm，hs=15mm，文獻【4】與本文結果之比較36
圖5-2 Re=15700，hs=15mm，文獻【4】與本文結果之比較.37
圖5-3 Re=15700，w=5.08mm，文獻【4】與本文結果之比較..38
圖5-4 柱型鰭片高度與鰭片總體積固定，不同數組數之熱阻值比較
…………………………………………………………………39
圖5-5 柱型鰭片寬度與鰭片總體積固定，不同數組數之熱阻值比較
40
圖5-6 hs=30mm，柱型鰭片不同寬度下的熱點平均溫度之比較..41
圖5-7 hs=40mm，柱型鰭片不同寬度下的熱點平均溫度之比較..42
圖5-8 hs=50mm，柱型鰭片不同寬度下的熱點平均溫度之比較..43
VIII
圖5-9 w=4mm，柱型鰭片不同高度下的熱點平均溫度之比較.44
圖5-10 w=5mm，柱型鰭片不同高度下的熱點平均溫度之比較..45
圖5-11 w=6mm，柱型鰭片不同高度下的熱點平均溫度之比較46
圖5-12 Re=5000，hs=30mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.47
圖5-13 Re=5000，hs=40mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.48
圖5-14 Re=5000，hs=50mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.49
圖5-15 Re=15000，hs=30mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp..50
圖5-16 Re=15000，hs=40mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp..51
圖5-17 Re=15000，hs=50mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp..52
圖5-18 Re=25000，hs=30mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp..53
圖5-19 Re=25000，hs=40mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp..54
圖5-20 Re=25000，hs=50mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp..55
圖5-21 hs=30mm，柱型柱型鰭片不同寬度下的系統熱阻之比較56
圖5-22 hs=40mm，柱型鰭片不同寬度下的系統熱阻之比較..57
圖5-23 hs=50mm，柱型鰭片不同寬度下的系統熱阻之比較..58
圖5-24 Re=5000，w=4mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp59
圖5-25 Re=5000，w=5mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp60
圖5-26 Re=5000，w=6mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp61
圖5-27 Re=15000，w=4mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.62
IX
圖5-28 Re=15000，w=5mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.63
圖5-29 Re=15000，w=6mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.64
圖5-30 Re=25000，w=4mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.65
圖5-31 Re=25000，w=5mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.66
圖5-32 Re=25000，w=6mm，柱型鰭片不同寬度下流道1 之Cp.67
圖5-33 w=4mm，柱型鰭片不同高度下的系統熱阻之比較.68
圖5-34 w=5mm，柱型鰭片不同高度下的系統熱阻之比較.69
圖5-35 w=6mm，柱型鰭片不同高度下的系統熱阻之比較.70
圖5-36 Re=5000，柱型鰭片寬度對熱阻值之比較.71
圖5-37 Re=15000，柱型鰭片寬度對熱阻值之比較..72
圖5-38 Re=25000，柱型鰭片寬度對熱阻值之比較..73
圖5-39 Re=5000，柱型鰭片高度對熱阻值之比較.74
圖5-40 Re=15000，柱型鰭片高度對熱阻值之比較..75
圖5-41 Re=25000，柱型鰭片高度對熱阻值之比較..76
表目錄
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