微通道热沉冷却大功率半导体激光器

大功率半导体激光器研制的关键问题之一就是散热冷却技术。本文对当前半导体激光器冷却技术的热点之一一微通道热沉作了一个概述，就热沉材料的选择、微通道热沉的结构及封装等进行了介绍。微通道热沉因其低的热阻，在冷却输出功率数十瓦以上的大功率激光器具有很好的散热效果。     

大功率半导体激光器实用化微通道热沉

大功率半导体激光器实用化微通道热沉根据大功率半导体器无氧铜微通道热沉的实用化制备工艺特点,利用商用CFD软件FLUENT对微通道热沉内部微通道散热区层间折转通道宽度和热沉前端面壁厚度进行优化设计,并采用化学腐蚀结合扩散焊技术制备无氧铜微通道热沉,微通道尺寸为27 mm×11 mm×1.5 mm.利用低电光转换效率大功率半导体激光阵列器件对所制备热沉进行散热能力测试,激光阵列宽1 cm,腔长1 000μm,条宽200μm,填充因子为50%,微通道热沉热阻0.34 K/W,能满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求.     

微槽冷却热沉结构尺寸的优化设计

以热阻和压降作为2个目标函数建立了微槽冷却热沉的多目标优化模型,采用序列二次规划(SQP)方法对微槽的结构尺寸进行了优化设计。优化结果表明:微槽冷却热沉的结构形状对传热性能有很大的影响,与三角形和梯形结构相比,矩形微槽结构的传热效率更高。给出了2种加权系数情况下的优化尺寸,相应的微槽宽度分别为130μm和120μm,槽栅的宽度分别为176μm和350μm,微槽的高度分别为640μm和1000μm,相应的热阻分别为0.4857K/W和0.5094 K/W。对以上得到的优化结构的微槽冷却热沉的流体流动和传热进行了数值模拟,得到芯片的最高温度分别为358.34 K和361.52 K,完全可以满足工作芯片对温度的要求。     

大功率LED阵列的热沉结构设计和参数优化

大功率LED是一种新型的照明光源,散热问题是研制大功率LED的关键技术之一.采用微通道制冷技术,设计了大功率LED阵列的外部热沉.提出采用交错结构的微通道,可以增加热交换系数,减小通道中流体压力的下降,从而提高散热性,同时可以减少直通道结构在制作和安装过程中造成微通道断裂的可能性.针对交错结构的微通道,理论分析了影响其热阻的因素,推导了热阻表达式,并对微通道散热器的结构参数进行了优化,当通道宽度取到某一数值时,散热器的热阻可达到最小.     

自相似结构微通道传热分析及结构优化

随着大型集成芯片等电子设备的释热率不断升高,普通的微通道热沉（MHS）已经很难满足其散热需求。自相似微通道热沉（SSHS）作为一种新的换热结构设计,与一般的微通道热沉（MHS）相比,具有更好的综合性能和应用前景,但SSHS内部依然存在一定的流量分配和换热不均等缺陷。为了克服SSHS自身的缺陷,提高其工作性能,本文将原有的入口分流通道改为减缩式设计,以缓解SSHS原型设计中流量分配不均的缺陷,同时利用数值方法,在分析各结构参数影响基础上,进行了优化设计。鉴于SSHS内每个换热单元结构均相同,计算模型选择了一个完整的换热单元进行模拟分析和参数优化,计算单元包含十个溢流通道、半个入口分流通道与半个出流通道。换热工质为水,单元的流量范围为0.27kg/h~0.9kg/h。工作压力为常压,盖板热负荷为1MW/m2,计算模型为层流模型（Re范围150~500）。数值分析结果表明：对于原型设计,入口分流通道末端存在较强烈的滞止效应,直接导致各溢流通道之间流量分配不均,溢流通道间的流量分配相差9.5-12.9倍,且流量分配不均直接导致换热不均,盖板外壁面的温差达到了10.8-12.1℃。通过将分流通道改为减缩式斜坡结构,可以一定程度上消除滞止效应的影响。经过优化对比分析后发现,随着斜坡角度的增加,流量分配的均匀性和换热均匀性均得到进一步提高,但同时也导致流动阻力有一定的增加。综合考虑后,斜坡角度确定为4.3o时,可以在计算参数范围内使优化结构获得最佳的综合性能。虽然导致系统压降最大有12%左右的增加,但使流量分配从最大相差12.9倍降至最大仅相差2.7倍,平均换热均匀性提高了50%以上。改进和优化后的设计,可以为SSHS的推广应用提供参考和借鉴。     

梯形硅基微通道热沉流体流动与传热特性研究

以去离子水为流动工质,对梯形截面的硅基微通道热沉进行了流体流动与传热的实验研究.通过测量流体的流量、进出口压降与温度、热沉底面加热膜温度,获得了梯形硅基微通道热沉在不同体积流量、不同加热功率条件下流体流动与传热特性参数.实验得出,梯形微通道的流体传热特性值与经验公式预测值相比存在明显的差异,梯形微通道角区对流体流动与传热有重要影响.最后,在实验基础上根据经验公式修正得出层流条件下的梯形硅基微通道的对流换热关联式.     

流动聚焦型微流控芯片微通道结构优化

为探究一种生成单个液滴周期短、消耗连续相试剂量小、加工成本低的微流控芯片,利用FLUENT仿真软件和VOF方法对正交试验中16种不同结构尺寸的微流控芯片进行数值模拟,最后,使用理想解法(TOPSIS)对数值模拟结果进行综合评价,得出16种结构的优劣次序。评价结果表明,当连续相通道尺寸为40μm、离散相通道尺寸为30μm、十字出口通道尺寸为25μm、通道深度为20μm时,可以得到尺寸结构最优的微流控芯片。该微流控芯片生成微滴直径较小,生成频率最高,单位时间内消耗连续相试剂较少。     

基于BOBYQA算法的微小通道热沉优化设计

为了解决高热流密度电子器件散热问题,基于BOBYQA(bound optimization by quadratic approximation)梯度自由优化算法,并调用CFD软件的数值模拟结果,对微小通道热沉进行了优化设计.目标函数为热沉的总体热阻,约束了泵功消耗.分别讨论了不限制热沉总体高度以及约束高度2种条件下的最优解,详细计算了各个几何设计参数的优化路径.结果表明,窄深的通道更加有利于换热.与此同时,还计算了不同泵功消耗下的最优解,结果表明,随着泵功的增加,最优的热阻减小,但减小幅度随着泵功的增加而减小.     

低比转速离心泵叶轮几何参数多目标优化

低比转速离心泵的效率与泵的损失、汽蚀余量和扬程曲线的稳定性有关.以能量损失最小、汽蚀余量最小及消除驼峰为目标,采用线性加权组合的方法,建立低比转速泵叶轮几何参数的多目标优化函数,并应用超传递近似法进行多目标优化.实例优化证明,采用该方法,设计者可根据实际经验对各目标函数的重要性进行模糊评价,合理确定各目标的权值,对泵的效率、汽蚀和稳定性等性能进行设计优化,以得到更为科学的设计方案.     

以水为工质的铜基微通道热沉的流态可视化与传热特性

设计了微通道流态观测系统,在低雷诺数(34～191)条件下,对以水为工质的一种铜基微通道热沉的流态、温差、压降与其传热特性的关系进行研究。通过可视化观察发现,此微通道的主要流态形式为环状流并随着热流密度的进一步增大呈现周期性震荡。在微通道出现干涸现象时,流体流量迅速下降至零。低入口雷诺数下,首次发现了微通道热沉底部轴向温度呈现中间低两边高的现象。这可能由于流态为充分沸腾的环状流时,与壁面的换热效率最高导致的。微通道热沉的压降损失随着雷诺数和热流密度的增加而增大。分析结果表明,流体流态是影响铜-水微通道热沉换热特性的决定性因素。     

基于传热反问题的绝缘栅双极型晶体管模块温度计算方法

在分析绝缘栅双极型晶体管(Insulated grid bipolar transistor,IGBT)模块内部传热机理的基础上,建立了集总参数的温度计算模型。采用边界元法对传热反问题的解空间进行离散。采用共轭梯度法求解传热反问题,得到较准确的等效热阻和等效热容值。该方法通过与制造商提供的IGBT模块结温实验数据和有限元方法计算的结果相比较,计算误差小于5%。     

连续挤压模具型腔汇合室几何参数优化设计

对连续挤压生产中产生的弯曲、扭曲等的产品质量问题从模具型腔结构特点上进行了分析,提出了以汇合室－焊合室过渡处金属轴向流速均匀为目标的型腔几何参数优化方案。通过型腔风金属流动规律的模拟实验分析,建立了汇合室塑变区的速度场数学模型,在此基础上,分析了型腔各几何参数对金属流动规律的影响,采用正交试验和一维搜索法对型腔几何进行了优化。验证实验表明：所建立的速度场数学模型正确,优化后的模具型腔可满足生产要求,为连续挤压模具的设计提供了一定的理论依据。     

Optimization of processing parameters for laser powder deposition using finite element method

In order to investigate the effects of powder materials and processing parameters on thermal and stress field during laser powder deposition (LPD), a finite element model was developed with the help of ANSYS software. The finite element model was verified by the comparison between the experimental results and computed results. Then LPD processes with different powder materials and processing parameters were simulated by using the FE model. The results show that less difference of thermal conductivity and thermal expansion coefficient between powder material and substrate material produces lower residual stress; higher laser power, laser scanning speed and smaller laser beam diameter can lead higher peak temperature and higher residual stress. The research opens up a way to rational selection of the powder materials and processing parameters for ensured quality.     

导热反问题的空间状态分析—单个边界条件的确定

本文以现代控制理论为基础，引用线性控制系统的空间状态表达式来描述和探讨单个边界条件的确定问题。采用现有较为完善的空间离散方法－有限单元法或有限差分法，通过数值计算以获得较为准确的解。最后，由数值实验的例子来表明所采用方法的合理性和可靠性。     

一个偏微分方程反问题数值求解的方法

利用傅氏变换将一个三维偏微分方程反问题从时间一空间域变换到频率一空间域，使得该问题的差分格式求解维数减少．构造了一个隐式差分格式，利用傅氏反变换将该问题的解变回到时间一空间坐标系．该方法减少了常规方法中对时间离散所产生的误差，同时提高了计算的效率．     

基于拓扑优化的新型热沉翅片结构设计

采用基于变密度法的拓扑优化方法对强制对流空气热沉结构进行优化设计,以最小压降作为优化目标,传热性能为约束条件,采用二维双层模型代替传统三维模型进行优化设计.采用在优化过程中改变插值参数方法,有效避免优化结果中阻塞结构的形成.将拓扑结构与直翅片结构进行对比,在入口速度为1.2 m/s时,拓扑结构热沉的平均温度比直翅片热沉...     

超静定轴力杆系的几何共性参数法

分析了材料力学传统方法建立拉(压)超静定杆系的变形协调方程的困境,提出了利用结构中某些点的几何共性参数建立变形协调方程的方法,通过算例验证了本方法的正确性及有效性,通过比较,本方法具有明显的优越性,可以相当方便地求解超静定杆系。     

Optimization of geometric parameters of reinforced sheets based on a cell-based smoothed discrete shear gap (CS-FEM-DSG3) method

Optimization of design features of reinforced sheet is investigated. Initially, equations governing composite structures are extracted based on Kirchhoff sheet model under bending using Hamilton's principal. Then, design parameters for the composite structure are extracted with simple supportive boundary conditions from proposed solution. Next, optimization is achieved by determining dimensions of a reinforced sheet specimen. Weight optimization of reinforced sheet structure has been obtained based on variations in thickness and number of longitudinal and transverse reinforcements. Buckling static characteristic is utilized in optimization process. To solve the extracted equations, semi-analytical method of CS-DSG3 has been applied. Results are presented in graphs that show variation of design parameters by changing the geometric parameters. ABAQUS software has been used for design verification. The results show that an increase in thickness of 3 mm skip value tends to be zero. Also, there is a change in the amount of deflection for sheets with a minimum thickness of 3 mm by increasing the number of longitudinal and transverse reinforcement. There is a good agreement between the numerical method of finite elements and the method X-FEM-DSG3.