第五章 结果与讨论
本文以PHOENICS 软件包作数值分析，物理模式是以喷流对装置散热鳍片之热电子组件作冷却。几何尺寸之设定是喷嘴出口直径(d)为6mm﹔喷嘴出口与散热鳍片顶端间距(ha)，和喷嘴出口直径比为10﹔散热鳍片之柱型鳍片高度(hs)为30~50mm﹔散热鳍片之柱型鳍片宽度(w)为4~6mm﹔喷嘴流速是以雷诺述表示，其范围5000~30000，热电子组件尺寸为30mm×30mm，其热产生量为30W，当工作流体以喷流方式流经电子组件时，采用三维k ?ε 紊流模式仿真计算，计算结果包括热电子组件温度、系统热阻值与流道中压力分布。
5-1、文献与本文比较
为了印证使用PHOENICS 软件包之精确度与准确性，本文参考Maveety and Jung【4】文献，以相同之条件模型仿真比较。Maveetyand Jung【4】使用Flotherm CFD 软件包，模拟以空气喷射冲击一个在芯片上加装散热鳍片之系统，喷嘴直径为6.4mm，喷嘴到散热鳍片顶端对喷嘴直径的比值为10，散热鳍片底部为50.8mm×50.8mm×12mm，其鳍片为7×7 数组式柱型鳍片，高度跟宽度的变化分别为9mm、15mm、21mm 与4.08mm、5.08mm、6.08mm，雷诺数范围在7800~19700，芯片的尺寸为12mm×12mm×3mm ，其热功率为30W，采用k ?ε 紊流模式仿真计算，比较不同雷诺数下之热阻值和鳍片高度
与宽度对热传效果的影响。
图5-1 中，为Maveety and Jung【4】文献与PHOENICS CFD 在w=5.08mm、hs=15mm 时，雷诺数(Re)对热阻值之比较图，图5-2、图5-3 为文献与PHOENICS CFD 在Re=15700 时，当hs与w分别为15mm与5.08mm 情况下，w/L 与hs/L 对热阻变化之比较，其结果与Maveetyand Jung【4】文献的分析结果有相同的趋势与近似值。由以上可说明本研究所建立之数值模型，仿真运算之结果有相当的准确性。
5-2、不同数组式鳍片之比较
图5-4 为散热鳍片之柱型鳍片高度固定为30mm与柱型鳍片总体积一样时，分别在5×5、7×7、9×9 三种数组之柱型鳍片排列，在雷诺数5000 增加至30000 时，热阻值之比较﹔由于数组数的增加，柱型鳍片与柱型鳍片间距跟着缩短，每个柱型鳍片的宽度也相对减少，提高了散热鳍片的热传导效率与流体在散热鳍片流道中的流动速率，因此由图可以看出9×9 数组的鳍片有比较好的散热效果。图5-5 为散热鳍片之柱型鳍片宽度固定为4mm 与柱型鳍片总体积一样时，在三种数组下，雷诺数对热阻值之比较;数组数的增加，柱型鳍片与柱型鳍片间距跟着缩短，也使柱型鳍片的高度减少，在喷嘴出口与散热鳍片顶端间距相同的条件下，由于工作流体在5×5 数组的模型中流道变
长，流体冲击鳍片底部变得比较困难，因此散热效果比较差，7×7 阵33
列与9×9 数组虽没有明显的差异，但7×7 数组所需的空间尺寸要比9×9 数组大。由以上两个结果，本文在鳍片设计上，是使用9×9 数组。
5-3、温度场与压力场之分析
5-3-1 喷嘴速度对系统的影响
为了探讨雷诺数(Re)对在电子组件加装散热鳍片的热传性能之影响。首先在散热鳍片的柱型鳍片高度与宽度定值的条件下，其值分别是高度(hs)为30mm、40mm、50mm 与宽度(w)为4mm、5mm、6mm，雷诺数(Re)值为5000~30000 作仿真运算，计算得电子组件散热后的温度，见图5-6 至图5-11。由图表的曲线可以很明显的看出，雷诺数(Re)越大，电子组件的平均温度越低，显示空气喷射冲击速度越高对于散热鳍片冷却有比较好的效果。随着雷诺数(Re)增加，雷诺数(Re)在5000~25000 有比较明显的降温效果，雷诺数(Re)约在25000 开始降温效果较不显著，表示温度曲线有趋于平缓的趋势，因此雷诺数(Re)对不同的散热鳍片的散热效果都有其雷诺数(Re)之极限值存在。
5-3-2 散热鳍片的影响
在图2-1(b)中，本文为了简化以方便作讨论，把9×9 数组式柱型鳍片如图以鳍片中心向外分成4 个流道，从散热鳍片底部到柱型鳍片顶端沿着ｚ轴方向之流道中的压力值代回3-9 式，算出各流道z 轴方向之压力分布情形，由于流道1 中的Cp 值，有比较明显的变化差异，
所以图表在比较流道中压力分布情形时，是以流道１中之Cp 值作比较讨论。图5-12 至图5-20 表示柱型鳍片高度(hs)与雷诺数固定的情况下，不同柱型鳍片宽度(w)，在流道1 中的Cp 值之比较图，可以看出柱型鳍片宽度较大，有比较高的Cp 值，显示柱型鳍片宽度增加使得柱型鳍片间距缩短，提高了流道中工作流体的流动速率，也因为柱型鳍片宽度(w)的增加，增加了散热鳍片的散热总表面积之影响，因此，由图5-21 至图5-23 中，可以知道柱型鳍片宽度值的变大有助于降低热阻值，能增加散热鳍片的散热效果。
图5-24 至图5-32 为柱型鳍片宽度(w)与雷诺数固定的情况下，不同柱型鳍片高度(hs)，在流道1 中的Cp 值之比较图，可以看出柱型鳍片高度较大，有比较低的Cp 值，显示柱型鳍片高度增加，使得工作流体较不容易到达散热鳍片底部，降低了流道中工作流体的流动速率。但图5-33 至5-35 显示散热效果因柱型鳍片高度增加而越来越好，表示柱型鳍片高度的增加，造成散热鳍片散热表面积变大之影响效果比较大，虽然流体流速变慢降低冷却效果，但却没有比较显著的影响。由以上结果可以知道散热鳍片之柱型鳍片宽度与高度分别在6mm 与50mm 时，散热鳍片鳍片的散热效果最好，柱型鳍片宽度与高度分别在4mm 与30mm 时，散热鳍片鳍片的散热效果较差﹔在雷诺数(Re)为5000 时，使用宽度与高度分别在6mm 与50mm 之柱型鳍35
片，电子组件的平均温度为69.46℃，使用宽度与高度分别在4 与3mm之鳍片，电子组件的平均温度为34.14℃，两者相差了35.32℃，在雷诺数(Re)为30000 时，也有10.74℃的差距。
图5-36 至图5-41 为相同雷诺数(Re)下，柱型鳍片宽度与高度对热阻之影响，由图表曲线趋于平缓看出柱型鳍片宽度与高度增加，有助于增进冲击冷却的效果，但几何尺寸大小在应用上有一定的限制。
第六章 结论与建议
6-1、结论
本文主要是使用PHOENICS 软件包，针对柱型鳍片的宽度与高度之几何尺寸，在不同雷诺数下，仿真运算系统之热传现象。经由第五章之整理与讨论作简短扼要之描述：
(1) 雷诺数(Re)越大冷却效果越好，但随着雷诺数的增加，冷却的效能有趋于减缓的现象，显示不同散热鳍片几何尺寸，有其喷射冲击方式的最佳雷诺数(Re)值。
(2) 散热鳍片之柱型鳍片宽度增加，使得散热表面积变大，也增加了流道的Cp 值，提高了其内部的工作流体的流动速率，因此柱型鳍片宽度越高散热效果越好。
(3) 散热鳍片之柱型鳍片高度增加，虽然减小了流道的Cp 值，降低了其内部的工作流体的流动速率，但由于柱型鳍片高度增加，增加散热表面积之影响较大，使得冷却效果随高度增加变好。
(4) 虽然本文所设计的柱型鳍片几何尺寸，在PHOENICS 软件包的模拟运算下，柱型鳍片宽度与高度的增加有助于散热鳍片的冷却效果，但宽度与高度尺寸大小有其最佳值存在。
6-2、建议
(1) 喷射入口在本文设定为圆形喷口，给其初始速度，可将其改变几
何形状、尺寸、喷射角度，工作流体也可以换成其它散热效果较佳的流体模拟，以求得最佳的散热效果。
(2) 本文流场是做稳态之模拟，可以改为瞬时来做比较分析。
(3) 热点是本为主要模拟因子，其几何尺寸、发热量、位置、数目，都是可做改变的变因，以针对不同的电子配件系统状况。
(4) 本文散热鳍片9×9 数组式柱型鳍片，可以改变不同数组形式、鳍片变换几何形状与尺寸，求得最佳的散热效果，以试验出不同数组的最好之几何形状与尺寸。
(5) 对于柱型鳍片宽度与高度改变几何尺寸大小，在不同的雷诺数(Re)下，接续研究其最佳几何尺寸。
(6) 本文主要探讨柱型鳍片几何尺寸对热阻值的影响，而重力场、热辐射等条件，是可深入研究的课题。
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