【焦点】微流道 l 基于微流道冷却的量热计结构优化…l 中国航天空气动力技术研究院等

谷专栏3D打印散热器元件具有比由常规方法(例如铸造和/或钎焊)生产的散热器元件高得多的密度。因此,3D打印散热器元件中的孔隙率较少受到关注。并且,3D打印的散热器元件的壁可以设计成比使用常规方法制造的散热器元件的壁更薄,并且3D打印的散热器元件更紧凑,更小巧。根据3D科学谷的市场研究,3D打印的散热器元件的冷却通道可以与其它部件进行冷却的微通道散热器串联连接在一起,节约了零件数量避免了焊接的需要。

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本期,通过节选近期国内在微通道领域方面的实践与研究的多个闪光点,3D科学谷与谷友一起来领略的微通道的微妙之处。

valley 微© 3D科学谷白皮书

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block 基于微流道冷却的水卡式
     量热计结构优化与试验分析

Valley航空技术© 3D科学谷白皮书

文鹏、陈连忠、陈丁、陈智铭

中国航天空气动力技术研究院

摘要:

高声速飞行器再入过程中面临严峻的气动加热环境,最高气流温度可达上万度,常用量热计在如此高的气流温度下,缺乏良好的热流测试性能和热负荷生存能力。为解决地面试验中高超声速飞行器模型表面高热流的连续、精准测量难题,研发了一种基于微流道冷却的新型水卡式量热计,其内部微型流道结构采用3D打印技术构建。通过数值仿真,确定了新型水卡式量热计的微流道尺寸与布局,与相较同一冷壁热流的传统水卡式量热计,其核心区域温升降低近50%,验证了微流道水卡式量热计在极端热环境下的测试能力和生存能力。电弧加热射流试验结果表明:微流道水卡式量热计可以同步测量压力、温度、热流数据,实现了高温流场参数的集成化辨识,并具有良好动态响应特性;最大热流测量值超过18MW/m2,测量绝对偏差和平均偏差分别控制在3.44%与±1.72%以内。

block 基于拓扑优化方法的
     蛛网散热结构均温性研究

Valley_创成式设计© 3D科学谷白皮书

张坎、付婷、王江波

武汉科技大学

摘要:

仿生蛛网散热结构在高热流密度芯片散热方面有着广泛的应用,但仍然存在散热结构温度分布不均的问题。为进一步提升蛛网散热结构的温度均匀性,提出利用变密度拓扑优化对蛛网结构进行优化设计。以设计域温度方差最低为目标函数,采用霍尔姆兹密度过滤保证求解的数值稳定性,采用双曲正切投影保证清晰的流道形态,通过分析不同进出口布置和不同设计域形状下得到的拓扑流道的传热性能,发现多入口多出口且交错布置的方式能有效提高拓扑流道的均温性,且设计域边数在十以内其拓扑流道均温性呈上升趋势。最后,通过有限元分析的方法,对传统结构M1和不同设计域边数的三维拓扑重构结构M2、M3进行模拟仿真。

结果表明,设计域边数为十的M3温度均匀性优于传统通道M1和设计域边数为六的M2,在Re=1800时,M3热阻相比于M1降低了18.48%,热源面温差相比于M1降低了25%,综合传热性能评价因子PEC值达到1.22。本研究提出并验证了拓扑优化方法在提升蛛网散热结构均温性方面的有效性,有助于推动拓扑优化方法在散热结构上的应用。

block 微通道扩散焊式换热器封头结构
     对流动特性影响模拟分析

valley 电子散热© 3D科学谷白皮书

费俊杰1刘旻昀1,2席大鹏1唐佳1刘睿龙1昝元锋1黄彦平1

1. 中国核动力研究设计院中核核反应堆热工水力技术重点实验室2. 清华大学工程物理系

摘要:

为认识和掌握封头几何结构对以超临界二氧化碳(SCO2)为工质的微通道扩散焊式换热器(简称MCD)流量分配能力的影响机理,并优化MCD封头结构设计,改善换热器流量分配均匀性,从而提高换热效能与安全性,本研究采用数值模拟方法,对不同结构MCD封头的流动和流量分配性能进行研究。为解决硬件条件对复杂换热器模型网格数量的限制,开发了一款可广泛用于MCD流体力学性能模拟的UDF程序,大量减少了重复性网格工作,降低了模拟计算的硬件门槛。运用Fluent软件,分析封头局部几何参数(不同封头壁面曲线参数、不同多孔挡板参数等)对压降、流量分配性能、流场的影响。

研究结果表明,进口封头腔体内产生的涡旋以及出口封头的突缩结构会造成压力损耗,低高度的二次曲线壁面封头可以有效抑制涡旋产生,减少突缩结构造成的压力损耗,从而降低封头压降,提高流量分配性能。

block 基于新工艺技术的高功率
     裸芯片模块微流体系统的散热技术

valley 热交换器© 3D科学谷白皮书

李丽丹、钱自富、张庆军、刘压军、李治、李鹏

四川九洲电器集团有限责任公司

摘要:

为解决高功率裸芯片的散热问题,本文在功率模块腔体上设计了一种自循环一体化微流道散热系统,并对有无微流道、平直流道以及交联流道的散热特性进行对比。研究表明:有微流道的裸芯片散热特性优于无微流道,有交联流道的裸芯片散热特性优于具有平直流道;将裸芯片共晶焊接到金刚石热沉,再将热沉共晶焊接到功率模块腔体,裸芯片到功率模块腔体之间的传导热阻降至传统工艺热阻的1/360~1/280;仿真与实验能够相互验证,最大偏差仅为7.16%。该微流道系统具有较强的散热能力,可解决环境温度为70℃,热流密度为320 W/cm2时的裸芯片散热问题。

block 基于仿生微流道的汗液
     检测器件结构设计及应用分析

刘恒信

齐鲁工业大学

摘要:

借鉴仿生学知识对开放式的汗液采集微流道进行结构优化来控制汗液流动,促进汗液运输。采用理论分析为基础,结构设计为依托,数值模拟与实验验证相结合的研究方法,设计并制备了开放式的汗液采集微流道结构。本课题的主要研究内容如下:(1)借鉴仿生学的概念,设计了基于维管植物的仿生毛细管汗液采集结构、基于开放式矩形槽的汗液采集微流道以及仿生仙人掌刺的楔形汗液采集微流道结构。数值模拟分析得到的结论表明,通过仿生设计得到的这几类集水结构都在一定程度上促进了表面液体的采集。其汗液收集量显著提升。不足之处在于,仿生毛细管的汗液采集结构,其液体抽吸受到毛细管排布的影响,汗液采集不均匀且造成了汗液的滞留。开放式矩形微流道和基于仙人掌楔形结构的仿生微流道在优化几何结构的基础上改善了毛细管吸收不均匀的缺点,然而大量汗液滞留在微流道内造成汗液样本的浪费,不利于汗液标本信号的获取。综上分析,从几何学的概念出发,结合平面空间的基本元素,将毛细管的毛细效应扩展到开放式矩形微通道结构中,对于扩大集汗面,增加集汗量具有重要意义。(2)为实现汗液在微流道内的有效运输,结合流体力学相关理论,在开放式微流道内进行结构设计,从大自然中寻找灵感,巧妙利用南洋杉叶片结构的特点,设计了具有南洋杉叶片仿生结构的开放式汗液采集微流道结构。以南洋杉叶片在横向和纵向两方向的叶片数量为变量,得到了横向排布方式为“0.5+1+0.5”即中间一列完整叶片两边半列叶片,且纵向叶片数量为12的叶片仿生结构排布方式。进一步得出用于汗液搜集的最佳液体接触角范围为30°~75°。在这种排布下的微流体通道满足汗液采集和优先积聚的要求,兼具毛细效应所具有的拉普拉斯压力。(3)光固化3D打印制备汗液采集微流道结构并进行液体吸附实验,实验结果验证了数值模拟结果的可靠性,微流道内部叶片布局为横向“0.5+1+0.5”,纵向叶片数量为12的结构设计的液体吸附和运输效果是符合要求的。开发了基于开放式微流道的汗液检测器件的设计理念并给出了设计思路。

综上所述,本研究设计和优化的仿生微流道结构为实现汗液大量高效采集提供了理论和实验结果的支撑,为开放式微流道在汗液检测器件的应用提供了思路

block 基于深度学习的随机变宽度
     微流控浓度梯度芯片设计

Valley_微流控© 3D科学谷白皮书

俞俊楠

江南大学

摘要:

浓度梯度芯片可以生成不同浓度的药物溶液,在个性化医疗、药物筛选和抗生素敏感性测试等领域得到了广泛应用。目前,浓度梯度芯片存在出口浓度和出口流速的分布范围较窄、设计周期冗长等问题。因此,需要寻找一种出口浓度和出口流速分布范围更为宽广的浓度梯度芯片结构,并实现浓度梯度芯片的高效准确设计。本课题创新性地提出了一种基于深度学习的随机变宽度浓度梯度芯片设计方法,并将研究聚焦于机理分析、设计方法研究和实验研究等三个方面,本研究的主要内容和结论如下:(1)深入分析浓度梯度芯片传质机理和卷积神经网络算法架构。研究微流体流动的基本特征和基本方程,以及浓度梯度的工作原理,发现可以通过不同宽度微流道的组合来改变浓度梯度芯片的出口流体行为。分析卷积神经网络算法的基本特征、基本结构和求解过程,发现可以通过几何特征矩阵来表示浓度梯度芯片的几何结构,有效地提高卷积神经网络模型的训练速度和降低卷积神经网络模型的计算复杂度。(2)通过不同宽度微流道的组合,提出随机变宽度浓度梯度芯片的设计方案。应用数值模拟方法,研究多种随机变宽度浓度梯度芯片结构的出口流体行为。结果表明,与随机等宽度浓度梯度芯片相比,随机变宽度浓度梯度芯片的三个出口浓度分布范围分别拓展9%、16%和11%,流速分布范围分别拓展29%、28%和30%。当微流道节点数量为5×5,即可能存在的微流道总数为40,微流道的出现概率为70%,即已经存在的微流道数量为28时,随机变宽度浓度梯度芯片能够得到最佳的出口浓度和出口流速分布。(3)通过COMSOL模拟得到的出口流速和出口浓度数据集训练卷积神经网络模型,获得一种随机变宽度浓度梯度芯片的设计方法。采用数值模拟得到的数据集训练Velocity NET模型和Concentration NET模型,结果表明,模型的预测准确率分别为92.68%和91.51%,实现出口流体行为的准确预测。基于迁移学习建立c Transfernet模型和v Transfernet模型,实现不同入口条件下浓度梯度芯片数据库的快速拓展。制定随机变宽度浓度梯度芯片的检索策略和设计流程,实现浓度梯度芯片的分钟级设计。(4)在3D打印的随机变宽度浓度梯度芯片上,通过实验验证出口浓度预测模型的准确性。在不同的入口流速、入口浓度和入口物料的条件下分别进行实验,出口浓度预测值和出口浓度实验值之间的平均绝对误差分别为3.50%、5.17%和4.23%。实验结果证明本研究中的方法能够高效准确地实现随机变宽度浓度梯度芯片的自动设计。本课题提出了一种随机变宽度浓度梯度芯片结构并通过卷积神经网络模型实现了浓度梯度芯片的自动设计。通过机理分析,梳理了浓度梯度芯片传质机理与卷积神经网络算法架构。通过设计方法研究,明确了随机变宽度浓度梯度芯片关键结构参数,融合卷积神经网络算法获得了一种随机变宽度浓度梯度芯片的设计方法。通过实验研究,验证了本研究中随机变宽度浓度梯度芯片设计方法的准确性。

结果表明,基于卷积神经网络算法设计的随机变宽度浓度梯度芯片具有出口浓度与出口流速的分布范围广、设计效率与准确性高等优点,有望应用于其它微流控芯片的自动设计。

block 基于MEMS的喷墨
     微流道设计与控制研究

valley 感应器© 3D科学谷白皮书

彭熙舜

贵州大学

摘要:

在增材制造领域,喷墨打印芯片长期受制于国外企业,生产具备我国自主知识产权的喷墨打印芯片迫在眉睫。我国在热泡喷墨打印芯片的设计上,大多局限于理论模型的推理,在整套的芯片加工与信号调制方面还有一些问题。本文在学科交叉的大环境下,设计了一款基于MEMS的高频热泡喷墨打印芯片,并基于FPGA设计了驱动信号控制系统。论文主要的工作内容如下:(1)本文提出了一种基于TaN薄膜的高功率密度的发热电阻。考虑到电阻表面的温度分布变化,为了避免出现热应力过大使电阻表面破裂的情况出现,在TaN薄膜与Si3N4薄膜之间添加了一层SiO2薄膜作为缓冲层。之后利用有限元仿真找到了合适的驱动电压与加热时长,并且对电阻表面的温度分布进行了模拟,进一步验证了模型的合理性。(2)本文提出了一种H型限流结构,通过缩短腔室与主流道的截面,并放置了一个矩形挡板来达到限流效果。该结构能够有效地阻挡因气泡膨胀而被挤压逆流回主流道的墨液,以此来提升腔室内墨液的利用率。之后,利用有限元仿真找到了合适的限流结构尺寸,对腔室内的液体温度变化做了研究。此外,本文还对整个喷墨过程进行了模拟,以此来推测实际喷墨情况下,腔室内部的情况,进一步确定合适的驱动电压与时长等条件。(3)基于FPGA,本文设计了一套喷墨驱动信号的控制系统。利用Xilinx公司的Kintex-7-XC7K325T芯片作为主控芯片,异步FIFO作为小批量数据的缓存装置,并配备的DDR作为大规模数据的存储装置,为脱机打印提供了条件。该系统能同时控制10个喷头进行喷墨打印,满足高频打印的条件。(4)利用MEMS技术制备热泡喷墨芯片,并搭建芯片调试环境。本文通过施加不同电压来测试实际喷墨情况,并与之前的模拟结果进行对比验证。之后通过搭建转动圆盘作为喷墨频率的验证方法,利用光学显微镜观察圆盘表面的胶片纸上相邻墨滴之间的距离,并且观察墨滴的形状,以此来观察实际情况下的驱动条件与仿真模型的匹配程度。此外,将单个喷墨头连续喷墨20万次,通过计算其体积来逼近单次喷墨的墨液体积,确定该体积大小满足期望水平。

block 基于嵌入式散热模块的
     微通道散热技术研究

valley 热交换器2© 3D科学谷白皮书

李雪斌

桂林电子科技大学

摘要:

人工智能和第五代移动通信技术的发展推动着电子芯片向着小型化和高集成化的方向快速发展的同时也将导致电子芯片的发热问题日益严重。因为在实际工程应用中,往往存在芯片阵列同时工作的情况,因此在散热时,除了要考虑各个热源的散热性能和温度均匀性外,热源之间的温度均匀性也是需要考虑的问题之一。因此,需要提出一种散热技术,该技术应具有如下特点:能有效提高散热能力、温度均匀性,且适用于多热源散热问题。根据项目要求,作者综合三种强化传热路径,提出一种基于嵌入式散热模块的微通道散热技术,并围绕其展开一系列研究,具体研究内容如下:一、采用数值计算的方法将三种带有嵌入式散热模块的微通道与直矩形微通道的流场、温度场进行对比分析,并分析了三种带有嵌入式散热模块的微通道相对于MC-SR的性能提升情况。通过综合比较,选定带有针鳍-肋嵌入式散热模块的微通道(MC-RPF)作为核心散热结构,并对MC-RPF上的四个主要结构参数进行研究分析。研究结果表明,与本次研究中涉及的其他散热结构相比,MC-RPF能以压降增加26.71%的代价,提升41.02%的传热性能,59.6%的温度均匀性。二、在研究内容一的基础上,采用响应面分析法与快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)以压降、热阻、温度标准差为目标,对MC-RPF中的肋高、针鳍高、针鳍数目和辅流道数目等四个参数进行多目标优化。通过TOPSIS算法进行多维决策,得到综合性能最优MC-RPF的结构参数。结果表明,MC-RPF在肋高0.8 mm,针鳍高0.8 mm,针鳍数目19个,辅流道数目8个时的综合性能最佳。随后采用数值计算的方式将优化所得到的结构与响应面规划中的结构进行对比分析验证。结果表明,优化后的MC-RPF的综合性能相对于未优化前,最大提升124.31%,最小提升3.04%。三、在研究内容二的基础上,基于模块化散热的思想提出了基于MC-RPF的多热源散热结构并对其进行结构设计分析及压降优化,该结构利用MC-RPF来对每个热源进行针对性散热。采用数值计算的方式分别从多场分布、热源间传热性能、整体性能等三个方面对三种MC-RPF互联流道(串联式、并联式和混联式MC-RPF互联流道)的散热性能、温度均匀性,流动性能进行综合分析。采用TOPSIS算法对三种MC-RPF互联流道进行综合评价。结果表明,三种MC-RPF互联流道分别适应于不同流量范围内的多热源散热问题,由于混联式在三种MC-RPF互联流道中适应流量范围最广,且在其他流量范围内也具有不俗的表现,因此选用混联式作为多热源散热结构的MC-RPF互联流道。最后根据压力损失相关理论对混联式MC-RPF多热源散热结构进行压降优化,优化后的混联式MC-RPF多热源散热结构与优化前相比压降降低36.73%。

block 工艺参数对SLM成形CuCrZr合金
     微流道粗糙度的影响

何国豪1劳子彬1甘宏海1曹明轩1付斌1刘志平2王颖1袁铭辉3

1. 五邑大学智能制造学部2. 五邑大学应用物理与材料学院3. 香港科技大学机械及航空航天系

摘要:

为了研究工艺参数对激光选区熔化技术成形的CuCrZr合金微流道表面粗糙度的影响,采用正交试验法制备了具有微流道的CuCrZr合金试样;利用3维形貌仪和扫描电子显微镜测试样件内表面的粗糙度和微观形貌,分析了激光功率、扫描速率、填充距离对微流道悬垂面及侧表面的粗糙度的影响规律和内在机制。结果表明,扫描速率对于悬垂面和侧表面的粗糙度影响最大,悬垂面受熔池自身质量影响而出现“挂渣”现象,而侧表面粗糙度则受马兰戈尼效应的影响较大;经过优化,在激光功率380 W、扫描速率520 mm/s、扫描间距0.12 mm的工艺参数下,可加工获得具有最小侧表面粗糙度(16.91μm)的微流道样件;在激光功率320 W、扫描速率560 mm/s、填充距离0.14 mm的工艺参数下,可加工获得具有悬垂面最小粗糙度(24.86μm)的微流道样件。该研究从激光工艺窗口的角度为激光选区熔化技术成形表面精度提供了依据。

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