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研究生:劉志凡
研究生(外文):Liu, Jyh-Farn
論文名稱:蒸汽腔體熱流現象之數值分析
論文名稱(外文):Numerical Analysis of Thermal Fluid Phenomena in a Vapor Chamber
指導教授:鄭藏勝鄭藏勝引用關係
指導教授(外文):Tsarng-Sheng Cheng
學位類別:碩士
校院名稱:中華大學
系所名稱:機械工程學系碩士班
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:47
中文關鍵詞:蒸汽腔體兩相流模型UDF
外文關鍵詞:Vapor ChamberTwo-Phase Flow ModelUDF
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蒸汽腔體為目前極具潛力的散熱方式之一,其利用工作流體吸熱、蒸發、散熱、凝結及藉由毛細結構將液體回流至熱源區的循環程序來達到散熱目的。本研究使用ANSYS FLUENT計算流體力學軟體,以有限體積法、SIMPLE演算法及VOF兩相流模型,並加載UDF程式以模擬工作流體相變化,同時考慮蒸汽區與毛細結構區的液態工作流體可互通,且不限制流體流動區域,探討在不同蒸汽腔體內部壓力與上壁面溫度之下,其對蒸汽腔體內部流場現象、溫度分布及流體體積分率之影響。
模擬分析結果與文獻實驗數據比對,在蒸汽腔體底部中心溫度最小誤差值僅有0.51%,顯示使用兩相流進行模擬能夠更貼近實際狀況,且可觀察內部流場的汽液相分布;當腔體內部壓力降低,整體溫度隨著降低,且工作流體流動速度大幅增加,但工作流體中液體體積分率卻隨著減少,而在P = 10 kPa時能得到最佳散熱效果。當降低上壁面溫度,能有效的降低整體溫度、增加水的體積分率,當上壁面溫度降為53°C時,整體溫度能得到最大幅度的下降。

Vapor chamber is one of the most promising devices for dissipating heat. It utilizes a working fluid that undergoes heat absorption, evaporation, heat dissipation, and condensation to accomplish heat dissipation process. This study uses ANSYS FLUENT commercial code coupled with User-Defined Function (UDF) program to numerically investigate the effects of internal pressure and upper wall temperature on the flowfield, temperature distribution, and fluid volume fraction inside the vapor chamber. In addition, the Volume of Fluid (VOF) model is also used to take into account the liquid-vapor phase changes of the fluid.
Comparison of numerical results with experimental data indicates that the difference between the calculated and measured temperatures is within 0.51% at the center of vapor chamber base. The phase changes and the liquid-vapor distribution in the chamber are well captured. The overall temperature of the chamber and the volume fraction of liquid are decreased when the internal pressure is decreased. However, the velocity of fluid is increased significantly. The best performance of heat dissipation occurs at P = 10 kPa. As the upper wall temperature is decreased, the overall temperature is also decreased. The maximum decreasing of the overall temperature occurs at a condition when the upper wall temperature is 53°C.

中文摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
符號說明 ix

第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究目的 4

第二章 數學及物理模型 5
2.1 蒸汽腔體簡介 5
2.1.1 運作原理 5
2.1.2 內部結構 5
2.1.3 操作極限 5
2.2 物理模型 6
2.3 基本假設 7
2.4 統御方程式 7
2.5 邊界條件 9

第三章 數值方法 10
3.1 數值模擬軟體簡介 10
3.2 VOF模型 11
3.3 離散化 12
3.4 速度和壓力的偶合演算 13
3.5 數值求解流程 13
3.6 收斂條件 14

第四章 結果與討論 15
4.1 研究內容 15
4.2 邊界條件及參數設定驗證 15
4.3 改變腔體內部壓力的影響 16
4.3.1 改變腔體內部壓力對溫度的影響 16
4.3.2 改變腔體內部壓力對體積分率的影響 17
4.3.3 改變腔體內部壓力對速度的影響 18
4.4 改變上金屬壁面溫度的影響 19
4.4.1 改變上金屬壁面溫度對溫度的影響 20
4.4.2改變上金屬壁面溫度對體積分率的影響 20
4.5 腔體內部體積分率之暫態分析 21

第五章 結論與未來展望 22
5.1 結論 22
5.2 未來展望 22
參考文獻 24
附錄 46

[1] R.S. Gaugler, Heat Transfer Device, U.S. Patent 2,350,348, 1944.

[2] G.M. Grover, Evaporation-Condensation Heat Transfer Device, U.S. Patent 3,229,759, 1964.

[3] J. E. Deverall, E. S. Keddy, J. E. Kemme, J. R. Phillips, Gravity-Assist Heat Pipes for Thermal Control Systems, Los Alamos Scientific Laboratory of the University of California, LA-5989-MS, 1975.

[4] Y. Koito, Heat Transfer Characteristics of Heat Sinks with a Vapor Chamber, Thermal Science and Engineering, Vol. 11, No.4, 2003.

[5] 洪裕勛, 蒸汽腔體均熱片之數值分析, 淡江大學機械與機電工程研究所碩士論文, 2005.

[6] Y. Koito, H. Imura, M. Mochizuki, Y. Saito, Numerical Analysis and Experimental Verification on Thermal Fluid Phenomena in a Vapor Chamber, Applied Thermal Engineering, Vol. 26, pp. 1669-1676, 2006.

[7] S.-S. Hsieh, R.-Y. Lee, J.-C. Shyu, S.-W. Chen, Thermal Performance of Flat Vapor Chamber Heat Spreader, Energy Conversion and Management, Vol. 49, pp. 1774-1784, 2008.

[8] 黃啟堯, 蒸汽腔體均熱片之熱性能分析, 淡江大學機械與機電工程研究所碩士論文, 2008.

[9] 戴東敬, 燒結式均溫板之製造與性能分析, 成功大學工程科學研究所碩士論文, 2009.

[10] 洪裕勛, 鋁質蒸汽腔體均熱片之製造與分析, 淡江大學機械與機電工程研究所博士論文, 2009.

[11] M. Zhang, Z. Liu, G. Ma, The Experimental and Numerical Investigation of a Grooved Vapor Chamber, Applied Thermal Engineering, Vol. 29, pp. 422-430, 2009.

[12] S.-C. Wong, K.-C. Hsieh, J.-D. Wu, W.-L. Han, A Novel Vapor Chamber and its Performance, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 53, pp. 2377-2384, 2010.

[13] J.-C. Wang, R.-T. Wang, T.-L. Chang, D.-S. Hwang, Development of 30 Watt High-Power LEDs Vapor Chamber-Base Plate, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 53, pp. 3990-4001, 2010.

[14] S.-C. Wong, S.-F. Huang, K.-C. Hsieh, Performance tests on a Novel Vapor Chamber, Applied Thermal Engineering, Vol. 31, pp. 1757-1762, 2011.

[15] H.-Y. Li, M.-H. Chiang, Effects of Shield on Thermal-Fluid Performance of Vapor Chamber Heat Sink, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 54, pp. 1410-1419, 2011.

[16] M. Reyes, D. Alonso, J.R Arias, A. Velazquez, Experimental and Theoretical study of a Vapor Chamber based Heat Spreader for Avionics Applications, Applied Thermal Engineering, Vol. 37, pp. 51-59, 2012.

[17] www.xbitlabs.com.

[18] heatsinks.wordpress.com.

[19] www.nvidia.com.

[20] www.expreview.com/8965.html.

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