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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:劉榮泰
研究生(外文):Rong-tai Liou
論文名稱:NB底部空間之強制對流散熱模擬
論文名稱(外文):Numerical Analysis of Force Convection for Notebook
指導教授:黃仁智黃仁智引用關係
指導教授(外文):Jen-Jyh Hwang
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:機械與機電工程學系研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:75
中文關鍵詞:數值模擬電子冷卻強制對流
外文關鍵詞:force convectionnumerical analysiselectronic cooling
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筆記型電腦技術進步也同時產生散熱的問題,故除了對電腦內部空間作散熱研究之外,如何利用外部空間來散熱也變得相當重要。
本研究主要是對NB外側底部空間來進行電子冷卻模擬,將所設計之散熱裝置放於NB底下,以強制氣流直接影響NB底部之對流散熱。本模擬利用FLUENT 6.0軟體來作散熱效果分析,空間假設為三維穩態紊流。主要參數分為兩大類:1.散熱裝置幾何形狀,2.氣流的操作。數值模擬結果以Nu值大小來判別散熱之效果。
數值模擬結果顯示下列條件皆有助於散熱效果的提升:1.氣流進出散熱裝置時具有較強的流速,2.縮小NB底部仰角角度,3.氣流由單一入口進入,再由兩側出口排出,4.氣流進出散熱裝置時無任何轉折,5.氣流進出始終都能直接影響NB底部。
With development and advancement of notebook, at the same time it brings its cooling problem, it is very important that use outside surface cooling except inside.
The main in study is simulate of electronic cooling in Notebook outside surface, design force convection models and placed them under the Notebook, force convection has immediate effect on the surface and produce heat dissipation. The simulation uses software FLUENT 6.0 to analysis the result of heat dissipation, the models are constructed and described by use turbulent field of three dimensions. The study has two main parameters:The form of force convection models and controlled airflow. The result of numerical analysis use Nusselt number to determine the effect of heat dissipation.
According to the result of numerical analysis to increase effect of heat dissipation for the following methods:1. Increase airflow across the designed models, 2. Decrease the angle of elevation when using notebook, 3. Airflow enter the designed models by one entrance and leave by the side exports, 4. When airflow pass through the designed models smoothly, 5. Airflow can influence the notebook surface immediately.
目錄………………………………………………………………… Ⅰ
圖目錄……………………………………………………………… Ⅲ
表目錄……………………………………………………………… Ⅶ
中文摘要…………………………………………………………… Ⅷ
英文摘要…………………………………………………………… Ⅸ
符號說明…………………………………………………………… Ⅹ
第一章 緒論……………………………………………………… 1
1.1 前言………………………………………………………... 1
1.2 文獻回顧……………………………………………………. 2
1.3 研究動機……………………………………………………. 3
1.4 研究內容……………………………………………………. 4
第二章 理論模式………………………………………………… 5
2.1 物理現象……………………………………….…………... 5
2.2 基本假設…………………………………………….……... 6
2.3 統御方程式…………………………………………………. 6
2.4 紊流模式……………………………………………………. 8
2.5 壁面函數探討………………………………….…………... 10
第三章 數值模擬方法……………………………………………. 11
3.1 數值模擬軟體簡介……………………………...………… 11
3.2 SIMPLE演算法則…………………………….…………… 12
3.3 上風差分法………………………………………...……… 15
3.4 數值求解流程……………………………………...……… 16
3.5 鬆弛因子與離散化…………………………………........ 17
3.6 物理幾何模型……………………………..………………. 18
3.7 物理模型對稱簡化之合理性……………………..………. 21
3.8 邊界條件的設定…………………………………..………. 22
3.9 物理模型於計算時之合理改良…………………………... 24
3.10 格點分析…………………………………………………. 30
第四章 結果與討論………………………………………............... 33
4.1採用模型(型1)與條件……………………………………... 33
4.1.1 雷諾數之影響……………………....…........................ 33
4.1.2 仰角角度之影響………………………………………. 37
4.1.3 圓角角度的影響……………………………………… 40
4.1.4 氣流反向,雷諾數之影響………..………………….. 41
4.1.5 氣流反向,仰角角度之影響……………….………... 46
4.2採用模型(型2)與條件……………………………………... 51
4.2.1 雷諾數之影響……………………..………………….. 52
4.2.2 氣流反向,雷諾數之影響……………..…………….. 56
4.3採用模型(型3)與條件……………………………………... 61
4.3.1雷諾數之影響…………………………………………. 61
4.3.2角度提高之影響……………………………............. 65
4.4交叉比較探討……………………………………………... 68
第五章 結論與建議………………………………………............... 70
5.1 結論……………………………………...………………… 70
5.2 建議…………………………………………..……………. 70
參考文獻…………………………………………………………… 72
圖1.1 市面上常見的散熱座樣式………………………………… 3
圖2.1 高溫板以強制與自然對流和外界作熱傳之示意圖……… 5
圖3.1 3-D物理模型各邊界示意圖……………………………… 19
圖3.2 3-D物理模型各邊界示意圖………………………………. 20
圖3.3 3-D物理模型各邊界示意圖………………………………. 20
圖3.4 模型及選取驗證之線……………………………………… 21
圖3.5 選取線之壓力數值………………………………………… 22
圖3.6 3-D物理模型對稱圖………………………………………. 24
圖3.7 (型1)高溫面其仰角4度時之對稱模型…………………… 26
圖3.8 (型2)節省空間之對稱模型……………………………… 27
圖3.9 (型3)夾角0度時之平面對稱模型………………………… 28
圖3.10 (型3)夾角4度時之平面對稱模型………………………. 29
圖3.11 不同格點數其高溫面之熱對流係數與Re關係圖………. 31
圖3.12 模擬風扇截面與高溫面之格點分佈圖…………………. 32
圖4.1 氣流由模擬風扇垂直進入模型(型1),Nu及Re之關係圖……………………………………………………………. 34
圖4.2 模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速進入模型,於仰角4度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………………… 35
圖4.3 模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以80%滿速進入模型,於仰角4度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)…………… 35
圖4.4 模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以60%滿速進入模型,於仰角4度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)…………… 36
圖4.5 模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以40%滿速進入模型,於仰角4度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)…………… 36
圖4.6 氣流由模擬風扇垂直進入模型(型1),Nu及仰角角度之關係圖…................................................. 38
圖4.7 模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速進入模型,於仰角8度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………………… 39
圖4.8 模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速進入模型,於仰角12度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)…………........ 39
圖4.9 模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速進入模型,於仰角16度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)…………....... 40
圖4.10 模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速進入模型,在不同圓角角度下,Nu及仰角角度之關係圖…………………....... 41
圖4.11模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流垂直進出模型(型1)時,Nu及Re之關係圖……………………………………………... 43
圖4.12模擬風扇尺寸300mm*40mm,氣流垂直進出模型(型1)時,Nu及Re之關係圖…………………………………………….. 43
圖4.13模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速排出模型,於仰角4度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)……………… 44
圖4.14模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以80%滿速排出模型,於仰角4度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………… 44
圖4.15模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以60%滿速排出模型,於仰角4度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………… 45
圖4.16模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以40%滿速排出模型,於仰角4度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………… 45
圖4.17模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速與80%、60%、40%滿速排出時其模擬風扇處邊界之等溫線對稱圖。單位(K)…………………………………………………………… 46
圖4.18氣流由模擬風扇垂直排出模型(型1),Nu及仰角角度之關係圖……………………………………………………………. 48
圖4.19模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速排出模型,於仰角8度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)……………… 49
圖4.20模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速排出模型,於仰角12度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)…………....... 49
圖4.21模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速排出模型,於仰角16度其高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)…………....... 50
圖4.22擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速排出,隨仰角角度4~16度,模擬風扇處邊界之等溫線對稱圖。單位(K)………… 51
圖4.23氣流由模擬風扇垂直進入模型(型2),Nu及Re之關係圖……………………………………………………………. 53
圖4.24模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速進入模型,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)……………………………… 54
圖4.25模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以80%滿速進入模型,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………………………… 54
圖4.26模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以60%滿速進入模型,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………………………… 55
圖4.27模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以40%滿速進入模型,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………………………… 55
圖4.28模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速與80%、60%、40%滿速排出時其模擬風扇處邊界之等溫線對稱圖。單位(K)…………………………………………………………… 56
圖4.29模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流垂直進出模型(型2)時,Nu及Re之關係圖…………………………………………….. 58
圖4.30模擬風扇尺寸400mm*30mm,氣流垂直進出模型(型2)時,Nu及Re之關係圖…………………………………………….. 58
圖4.31模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速排出模型,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)……………………………… 59
圖4.32模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以80%滿速排出模型,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………………………… 59
圖4.33模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以60%滿速排出模型,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………………………… 60
圖4.34模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以40%滿速排出模型,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………………………… 60
圖4.35氣流由模擬風扇垂直進入模型(型3),Nu及Re之關係圖……………………………………………………………. 62
圖4.36模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速進入模型,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)……………………………… 63
圖4.37模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以80%滿速進入模型,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………………………… 63
圖4.38模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以60%滿速進入模型,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………………………… 64
圖4.39模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以40%滿速進入模型,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)………………………… 64
圖4.40氣流由模擬風扇垂直進入模型(型3),Nu及底部提高之角度關係圖……………………………………………………………. 66
圖4.41模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速進入模型,其底部提高2度時,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)……… 67
圖4.42模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速進入模型,其底部提高4度時,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)……… 67
圖4.43模擬風扇尺寸300mm*30mm,氣流以滿速進入模型,其底部提高6度時,高溫面附近區域之等溫線圖。單位(K)……… 68
圖4.44模擬風扇尺寸300mm*30mm,於各種最佳散熱效果模型其Nu與Re之關係圖……………………………………………….. 69
表3.1 本研究離散化的選擇……………………………………… 17
表3.2 FLUENT設定之鬆弛因子α大小………………………… 18
表A-1 橫流風扇規格表…………………………………………… 74
參 考 文 獻
1. Knight, R. W. and Goodling, J. S., “Optimal Thermal Design of Air Cooled Forced Convection Finned Heat Sinks-Experimental Verification”, IEEE Inter-Society Conference on Thermal Phenomena, 1992
2. Ledezma, G. and Bejan, A., “Heat Sinks with Sloped Plate Fins in Natural and Forced Convection”, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.39, No.9, pp. 1773 ~ 1783, 1996
3. Teertstra, P., Yovanovich, M.M. and Culham, J.R., “Analytical Forced Convection Modeling of Plat Fin Heat Sinks”, Fifteenth IEEE SEMI- THERMTM Symposium, 1999
4. Komukai Toshiba-cho and Saiwai-ku, “Forced Convection Air Cooling Characteristics of Plate Fins for Notebook Personal Computers”, IEEE Inter-Society Conference on Thermal Phenomena, 2000
5.張世徵, “FLOTHERM在筆記型電腦之熱設計分析與應用” 國立清華大學工程與系統科學系碩士論文,2001
6. Nakayama, W., “A Novel Approach to the Design of Complex Heat Transfer Systems: Portable Computer Design-A Case Study”, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol.24, NO.2,June 2001
7. Nakanishi, M. and Nakayama, W., “A New Approach to the Design of Complex Heat Transfer Systems: Notebook-Size Computer Design”, IEEE Inter-Society Conference on Thermal Phenomena, 2002
8. Solbrekken, G. L., Yazawa, K., Coxe, K. C., and Bar-Cohen, A., “Passive Cooling Limits for Unventilated Notebook Computers”, Proceedings of The Pacific Rim/International, Inter-society, Electronic Packaging Technical/Business Conference and Exhibition (InterPACK), Kauai, Hawaii, July8-13,2001.
9. Coxe, W. K. and Solbrekken, G. L., “Experimental Modeling of The Passive Cooling Limit of Notebook Computers” , IEEE Inter-Society Conference on Thermal Phenomena, 2002
10. Young, D. F. and Munson, B. R., “A Brief Introduction to Fluid Mechanics ”, 1st ed., pp257-259, 1996
11. Hreman Schlichting and Klaus Gersten, “Grenzschicht-Theorie” , 9th ed., pp533-547, 2001
12. Jones W. P. and Launder B. E. , “The Prediction of Laminarization With a Two-Equation Model of Turbulence” , Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 15, pp. 301-314, 1972
13. Launder, B. E. and Spalding, D. B., “The Numerical Computation of Turbulent Flows” ,Computer Methods Applied Mechanics And Engineering, pp. 269-289 1974
14. FLUENT 6.0 Documentation, Boundary Conditions of User’s Guide
15.姜庭隆, “FLOWPLUS 3.0版使用說明手冊” 國立屏東科技大學機械系, 2000
16.劉建佳, “Pentium 4 散熱模組底板具凸起物之散熱性能研究” 國立台灣科技大學機械工程技術研究所碩士論文,2001
17.許宏祺, “Pentium 4 筆記型電腦冷卻風扇之實驗研究” 國立台灣科技大機械工程系碩士論文,2001
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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