中原大学 机械工程学系 硕士学位论文
柱型散热鳍片几何尺寸影响热传性能之研究
Effect of Dimensions of Cooling Pin-Fins on Heat Transfer Performance
指导教授：蔡瑞益 研究生：刘兴和 中华民国九十四年七月

中文摘要
本文主要研究空气喷射冲击散热鳍片冷却热点之热传状况。散热鳍片的几何尺寸与雷诺数，是影响冷却效果的主要研究参数。其中散热鳍片为9×9 数组式柱型鳍片，散热鳍片底部尺寸为70mm×70mm×3mm，鳍片宽度分别为4mm、5mm、6mm，高度分别为30mm、40mm、50mm，雷诺数范围5000~30000，热点尺寸为30mm×30mm，其热功率30W，使用计算流体力学软件包PHOENICS，仿真采用紊流模式，计算探讨温度场与鳍片流道中压力分布。
本文经模拟分析，得出在下列三种条件参数下有较好的散热效果：(1)雷诺数为30000 时。(2)鳍片宽度为6mm 时。(3) 鳍片高度为50mm 时。
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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 谢
本文之得以顺利完成，首先要感谢恩师 蔡教授瑞益，两年来的鼓励及协助指导，每每在遇到因惑瓶颈时，再三地解释疑惑，使我在这过程中受益匪浅，师恩浩瀚，铭感于心。同时也感谢口试委员 张永鹏老师、梁龙骥老师细心的指正与建议，使得本论文能更趋于完备，助学生于求学的知识上更上一层楼。
其次要感谢学长馨德、俊豪、桂勋、建胜、传宗、政忠、仲豪的大力传承，与在研究期间给予的协助与鼓励，同窗好友爵辰、家荣，在这段期间彼此提携与相互砥砺，以及学弟士航、仕杰、宇书，在著作伦文期间的帮忙，有大家的陪伴让我的研究生涯更加的精采丰富。
最后感谢我的家人，在求学的过程中一直辛苦栽培与支持我的父母亲，以及姊姊与哥哥对我的鼓励与照顾，每当我受到挫折时给予我最大的关心与包容我的任性，仅以此书与所有关怀我的人分享。
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目 录
中文摘要 . Ⅰ
ABSTRACT . Ⅱ
志谢 .. Ⅲ
目录 .. Ⅳ
图目录 . Ⅶ
表目录 . Ⅸ
符号说明 . Ⅹ
第一章 导论 1
1-1 前言 1
1-2 研究动机与目的 2
1-3 本文架构 ..3
第二章 问题描述与文献回顾 ..4
2-1 问题描述 4
2-2 文献回顾 6
第三章 统御方程式 . 11
3-1 统御方程式 .11
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3-2 紊流模式 .14
3-3 边界条件 .15
第四章 数值方法 .. 17
4-1 PHOENICS 的结构 ..17
4-2 PHOENICS 的应用 ..19
4-3 松弛系数与收敛标 ..22
4-3-1 松弛系数 22
4-3-2 收敛标准 23
4-4 PHOENICS 的源项 ..24
4-5 迭代的等级 .24
4-6 Q1 数据输入文件介绍 25
第五章 结果与讨论 . 31
5-1 文献与本文比较 31
5-2 不同数组式鳍片之比较 .32
5-3 温度场与压力场之分析 .33
5-3-1 喷嘴速度对系统的影响 .33
5-3-2 散热鳍片的影响 ..33
VI
第六章 结论与建议 . 77
6-1 结论 ..77
6-2 建议 ..77
参考文献 . 79
简历 .. 82

图目录
图2-1 散热鳍片之示意图8
图2-2 喷流冲击散热鳍片冷却热组件模型示意图9
图2-3 w=4mm，H=96mm 流道模型格点分布..10
图2-4 w=5mm，H=106mm 流道模型格点分布10
图2-4 w=6mm，H=116mm 流道模型格点分布10
图4-1 PHOENICS 的结构图28
图4-2 PHOENICS 使用的有限体积模型图29
图4-3 PHOENICS 之流场计算流程图..30
图5-1 w=5.08mm，hs=15mm，文献【4】与本文结果之比较36
图5-2 Re=15700，hs=15mm，文献【4】与本文结果之比较.37
图5-3 Re=15700，w=5.08mm，文献【4】与本文结果之比较..38
图5-4 柱型鳍片高度与鳍片总体积固定，不同数组数之热阻值比较
…………………………………………………………………39
图5-5 柱型鳍片宽度与鳍片总体积固定，不同数组数之热阻值比较
40
图5-6 hs=30mm，柱型鳍片不同宽度下的热点平均温度之比较..41
图5-7 hs=40mm，柱型鳍片不同宽度下的热点平均温度之比较..42
图5-8 hs=50mm，柱型鳍片不同宽度下的热点平均温度之比较..43
VIII
图5-9 w=4mm，柱型鳍片不同高度下的热点平均温度之比较.44
图5-10 w=5mm，柱型鳍片不同高度下的热点平均温度之比较..45
图5-11 w=6mm，柱型鳍片不同高度下的热点平均温度之比较46
图5-12 Re=5000，hs=30mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp.47
图5-13 Re=5000，hs=40mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp.48
图5-14 Re=5000，hs=50mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp.49
图5-15 Re=15000，hs=30mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp..50
图5-16 Re=15000，hs=40mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp..51
图5-17 Re=15000，hs=50mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp..52
图5-18 Re=25000，hs=30mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp..53
图5-19 Re=25000，hs=40mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp..54
图5-20 Re=25000，hs=50mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp..55
图5-21 hs=30mm，柱型柱型鳍片不同宽度下的系统热阻之比较56
图5-22 hs=40mm，柱型鳍片不同宽度下的系统热阻之比较..57
图5-23 hs=50mm，柱型鳍片不同宽度下的系统热阻之比较..58
图5-24 Re=5000，w=4mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp59
图5-25 Re=5000，w=5mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp60
图5-26 Re=5000，w=6mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp61
图5-27 Re=15000，w=4mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp.62
IX
图5-28 Re=15000，w=5mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp.63
图5-29 Re=15000，w=6mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp.64
图5-30 Re=25000，w=4mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp.65
图5-31 Re=25000，w=5mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp.66
图5-32 Re=25000，w=6mm，柱型鳍片不同宽度下流道1 之Cp.67
图5-33 w=4mm，柱型鳍片不同高度下的系统热阻之比较.68
图5-34 w=5mm，柱型鳍片不同高度下的系统热阻之比较.69
图5-35 w=6mm，柱型鳍片不同高度下的系统热阻之比较.70
图5-36 Re=5000，柱型鳍片宽度对热阻值之比较.71
图5-37 Re=15000，柱型鳍片宽度对热阻值之比较..72
图5-38 Re=25000，柱型鳍片宽度对热阻值之比较..73
图5-39 Re=5000，柱型鳍片高度对热阻值之比较.74
图5-40 Re=15000，柱型鳍片高度对热阻值之比较..75
图5-41 Re=25000，柱型鳍片高度对热阻值之比较..76
表目录

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