臺灣博碩士論文加值系統

本論文的主要研究方向是在探討於三維多彎頭閉式迴路結構振盪式熱管，由於晶片組或處理器的熱流密度隨製程快速進步，晶片組體積漸小且處理器核心數朝多核心發展同時大幅度的增加，藉由傳熱效果更佳的散熱技術解決熱密度分布不均情況和高熱流密問題已成為限制此類型產品發展的最大瓶頸之一，而振盪式熱管在微尺寸電子散熱應用上有極大優勢。目前的電子散熱模組幾乎為非垂直擺設,但是大多數振盪式熱管數值模擬研究多專注二維特定區域的傳熱機制分析，此方法只能解決垂直擺設的問題，吾人嘗試藉由數值模擬三維振盪式熱管來解決其非垂直擺設傳熱機制與物理現象。

吾人先使用商用軟體SolidWorks 2011生成三維振盪式熱管模型組件，並且使用商用軟體ANSYS 14.5版(WorkBench) 依序給定格點生成網格後，以商用套軟Fluent內建多項流模式(混合模組)，並於連續方程式，能量方程式當中藉由加入源相來模擬三維振盪式熱管工作流體的汽液兩相變化。

本文的數值求解方法中，壓力-速度耦合使用SIMPLE算則，在離散選項中，將壓力採取物體力加權(Body force weighted) ，動量，體積比率選取QUICK離散格式，能量方程是選用一階上風法(First order upwind scheme) ，振盪式熱管內部填充率為50%進行求解。

並將本研究數值模擬計算結果與有詳細實驗資料的三維振盪式熱管問題加以驗證，證明本文採用數值方法與離散方法確實對於三維振盪式熱管物理機制，傳熱性能分析具有適用性，且進一步選取不同工作流體填充率和不同傾斜角度將其數值結果與實驗最佳化值作分析。

This paper discusses numerical studies of the heat transfer characteristics at vertical heating state of a 3-D closed loop oscillating heat pipe(CLOHP),
the parameters studied were working fluid filling ratio ,and inclination angle.

A set of copper-tube CLOHP with internal diameter of 1.3mm,consisting of 4meandering turns and characteristic heat transfer length of 100mm was used in this study.

The CLOHP condenser ,and evaporator section length both are 20mm,working
fluid in this study was used water with filling ratio is 50% of total volume of the tube.

The result shows that in this study the model ,numerical method which we chose can predict heat transfer mechanism of 3-D CLOHP, and with different filling ratios ,and inclination angles .Verticl heating modle and filling ratio is 50% compare with others inclination angles ,and filling ratio ,it heat resistance is the optimum.

目錄
摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 Ⅶ
符號目錄 Ⅷ

第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2熱管的研究背景與發展 2
1.3振盪式熱管的研究與發展 6
1.4研究動機 14

第二章 理論分析 15
2.1 二相流模式概論 15
2.1.1 VOF模型 17
2.1.2 VOF體積比率方程式 18
2.1.3 VOF動量方程式 18
2.1.4 VOF能量方程式 18
2.1.5 混合物模型 20
2.1.6 歐拉模型 20
2.2 二相流流場型態 21
2.2.1 垂直上升管內流況 21
2.2.2 垂直下降管內流況 23
2.2.3 水平管內流況 25
2.2.4 U型管內流況 28
2.3 統御方程式 30
2.3.1 混合模型連續方程式 30
2.3.2 混合模型動量方程式 32
2.3.3 混合模型能量方程式 32
2.3.4 相對速度和漂移速度 32

第三章 數值方法 35
3.1 模型建立 35
3.2 網格生成 37
3.3 邊界條件給定 39
3.4 求解器設定 40
3.5 求解步驟 41

第四章 結果與討論 43
4.1 網格獨立性 43
4.2 數值模擬結果與參考文獻比較 44
4.3 不同工作流體填充率分析 55
4.4 不同傾斜角分析 57

第五章總結與未來展望 59
5.1 研究成果 59
5.2 未來展望 60

參考文獻 62

圖目錄
圖1.1(a) 傳統熱管 4
圖1.1(b) 平板熱管 5
圖1.2振盪式熱管示意圖 7
圖1.3振盪式熱管類型圖 8
圖1.5大型閉式循環振盪式熱管裝置 13
圖2.1垂直上升管中的流場型態 23
圖2.2垂直下降管中的流場型態 25
圖2.3 水平管中的流場型態 27
圖2.4彎頭U型管中的流場型態 29
圖3.1 振盪式熱管幾何外型 36
圖3.2 振盪式熱管外型生成 37
圖3.3 振盪式熱管網格生成 38
圖3.4 數值模擬流程圖 42
圖4.1 網格獨立性測試 蒸發端區域溫度圖 43
圖4.2不同加熱功率數值模擬與實驗分析比較圖 44
圖4.3 數值模擬蒸發端,絕熱端,冷凝端溫度變化圖 47
圖4.4 數值模擬蒸發端,冷凝端 液態相相波動圖 47
圖4.5 24W時內部工作流體運行圖 48
圖4.6振盪式熱管數值模擬不同時間溫度分布圖 51
圖4.7 振盪式熱管數值模擬不同時間液態相圖 54
圖4.9 振盪式熱管數值模擬不同填充率熱阻圖 56
圖4.10振盪式熱管傾斜角度示意圖 57
圖4.11 振盪式熱管數值模擬不同傾斜角熱阻圖 58


表目錄
表4.1不同填充率蒸發端與冷凝端溫度差熱阻關係 56
表4.2不同傾斜角度蒸發端與冷凝端溫度差熱阻關係 58 

[1] Gauger, R.S., Heat Transfer Devices U.S. Patent: 2, 350,348,1944
[2] Grover, G.M., U.S.Patent: No.3229759, 1963
[3] Zhang, H. and Faghri, A. “Advances and Unsolved Issues in Pulsating Heat Pipes”, Heat Transfer Engineering, Vol. 29 (1), pp. 20-44.
[4] Suo, M., and Griffith, P., “ Two-phase Flow in Capillary Tubes” , Transactions of the ASME,September, 1964, 576-582.
[5] Akachi,H.,Structure of a heat pipe, US Patent: 4921041, 1990.
[6] Akachi,H., Structure of micro-heat pipe, US Patent: 5219020, 1993.
[7] Akachi,H., Looped Capillary Heat Pipe , Japanese Patent:
No.Hei6-97147, 1994.
[8] Akachi,H., Polasek, F. , and Stulc, P., “Pulsating heat pipe”. Proceeding of 5th international heat pipe symposium. Melbourne: Pergamon Elsevier, 1996: 208-217.
[9] Akachi,H., Tunnel-plate type heat pipe, US Patent: 5697428, 1997
[10] Khandekar, S., Schneider, M., Schafer, P., et al. “Thermofluid dynamic study of flat-plate closed-loop pulsating heat pipes” ,Microscale Thermophysical Engineering, 2002,6(4):303-317.
[11] Khandekar, S., Groll, M., “On the definition of pulsating heat pipe: an overview” Pro.5th Minsk international seminar (heat pipe, heat pumps and refrigerators), Minsk Belarus,2003.
[12] Groll, M., and Khandekar, S.,” Pulsating heat pipe：progress and prospects” Proceeding of international conference on energy and the environment Conference, 2003, Shanghai, China, 22-24.
[13] Khandekar, S., Dollinger, N., and Groll, M., “Understanding Operational Regimes of Pulsating Heat Pipes: An Experimental Study “, Applied Thermal Engineering, 2003.23(6):707-719.
[14] Khandekar, S., Charoensawan, P., Groll, M., et al. “Closed loop pulsating heat pipes: Part B visualization and semi-empirical modeling” , Applied Thermal Engineering, 2003,23(16): 2021-2033.
[15] Charoensawan, P., Khandekar, S., Groll, M., et al. “Closed loop pulsating heat pipes：Part A parametric experimental investigations” , Applied Thermal Engineering, 2003,23(16): 2009-2020
[16] Khandekar, S., Groll, M., “An insight into thermo-hydrodynamic coupling in closed loop pulsating heat pipes” International Journal of Thermal Sciences, 2004, 43: 13-20.
[17] Yang, H.H., Khandekar, S., Groll, M.” Performance characteristics of pulsating heat pipes as integral thermal spreaders”,International Journal of Thermal Sciences, 2009, 48:815-824.
[18] Lee, W. H., Lyczkowski, R. W., ”The basic character of f ive two -phase f low model equation sets” ,International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2000, 33 (8) :1075-1098
[19] Brackbill, J.U., Kothe, D.B., Zemach, C., ”A continuum method for modeling surface tension “,Journal of Computational Physics,Volume 100, Issue 2, June 1992, Pages 335-354
[20] Lin, Zirong.,”Study on Heat Transport Capability of Self-Exciting Mode Oscillating-Flow Heat Pipe”,South China University of Technology ,2012
[21] Schiller L.,Naumann Z.,VerZ. Deutsch. Ing., 77:318,1935
[22]林宗虎 , 汽液兩相流和沸騰傳熱 , 西安交通大學出版社 (2003)
[23]閻昌琪 , 汽液兩相流 , 哈爾濱工程大學出版社 (2007)
[24] Charoensawan P, Khandekar S, Terdtoon P. Effect of inclinatiangles on heat transfer characteristics of closed-lo p oscillating heat pipe at norm al operating condition [C] Proceedings of 12th International Heat Pipe Conference.Moscow:12th International Heat Pipe Conference,2002