第二章 問題描述與文獻回顧
2-1、問題描述
本文是使用流體噴流的方式， 垂直沖擊在熱電子組件加裝上散熱鰭片配合散熱鰭片(Heat sink)，因此研究系統為強制對流機制，自然對流、熱輻射上都退居次要，故忽略上述二著之影響。
工作流體為不可壓縮流及標準狀態下之空氣，上下壁面假設為光滑無摩擦的絕熱平板。為了了解在不同的雷諾數(Re)與散熱鰭片在改變鰭片高度(hs)和寬度(w)，對系統在噴流沖擊機制下之影響。在系統為紊流的基本假設下，雷諾數(Re)的范圍在5000~30000，噴流入口直徑為d，ha為噴流入口到散熱鰭片頂點之距離，Maveety和Hendricks【1】提出在噴流沖擊散熱鰭片中，最佳的ha/d之范圍為8~12，本文選擇d=0.006m、ha/d=10。熱電子組件尺寸參考Intel公司官方網站在2004年11月所提供Intel ? Pentium ? 4 Processor Extreme Edition on 0.13Micron Process in the 775-land Package【2】的數據，得知芯片封裝后機版尺寸為37.5mm×37.5mm，但實際熱源區為芯片及加裝在其上的金屬熱擴散片(Integrated heat spreader, IHS)，其尺寸為30mm×30mm，厚度相較于寬度而言極小，所以忽略不考慮。發熱量設定為固定的30W。散熱鰭片如圖2-1為方形9×9柱型數組鰭片，底部L×L為70mm×70mm，厚度δ為3mm，鰭片之幾何尺寸如表2-1，散熱鰭片材料為鋁金屬。模型以三維直角坐標來做模擬計算，如圖2-2，流道高度H=96mm，其模型仿真尺寸長(x)、寬(y)、高(z)分別為0.25m×0.25m×0.096m﹔流道高度H=106mm，其模型仿真尺寸長(x)、寬(y)、高(z)分別為0.25m×0.25m×0. 106m，流道高度H=116mm，其模型仿真尺寸長(x)、寬(y)、高(z)分別為0.25m×0.25m×0. 116m。在格點的設定上，H=96、106、116mm其z軸格點數分別為19、22、25，w=4、5、6mm，其x、y軸格點數分別為42×42、44×44、46×46﹔z軸格點在散熱鰭片的部分，以1倍的倍率遞增方式設定，從散熱鰭片頂端到噴流入口，以1.5倍的倍率遞增方式設定﹔x、y軸格點在在散熱鰭片的部分，以1倍的倍率遞增方式設定，從散熱鰭片到出口處，以1.5倍的倍率遞增方式設定，如圖2-3~圖2-4所示。
本文之研究步驟如下：
(1) 計算程序之建立：包括流場、溫度場之統御方程式和邊界值條件。
(2) 流場的分析：統御方程式的建立包括質量守恒、動量守恒，進而求得流道壓力分布狀況。
(3) 溫度場的分析：應用能量守恒之分析，以求得熱組件之溫度，進而算出系統熱阻值。
(4) 精確性之比較：參考既有之文獻，模擬相同條件下之數值，以印證數據精確度。

(5) 結果分析與建議：將仿真之數據經后處理器處理，得出物理現象的印證與結論，并作出適當的建議以開啟后繼研究之方向。

2-2、文獻回顧
Maveety和Hendricks【1】采κ–ε紊流模式利用空氣噴流沖擊散熱片，探討使用散熱鰭片之系統的熱阻，在Re=10000~50000，與ha/d=2~12，ha為噴嘴到散熱片之距離，d為噴嘴直徑，散熱鰭片之材料使用碳復合材料與鋁金屬。Ledezma和Morega及Bejan【3】在噴流模式下，其Re=60~650時，改變柱型散熱鰭片之幾何尺寸與數量，測量紐賽數，以探討最佳化的ws/L值，ws為兩柱型鰭片間之距離，L為散熱鰭片底板長度。Maveety和Jung【4】采κ–ε紊流模式，仿真一冷卻空氣沖擊散熱片，熱源給30W，7800≦Re≦19700，并探討散熱片的熱阻及其流道壓力分布。Chiriac和Ortega【5】采用層流模式，以空氣噴射沖擊高于工作流體10K的恒溫平滑平板，探討壓力系數、壁面摩擦系數、紐賽數，雷諾數范圍在250~750，Pr=0.7，H/d=5，d為噴嘴直徑。Amano【6】利用對稱軸噴流沖擊固定目標板，研究冷卻固體表面性質，使用有限體積法做數值分析，采標準紊流模式，Pr=0.9，噴口直徑d=6.35mm，雷諾數約20000。Garimella和Nenaydykh【7】針對沖擊冷卻的噴嘴幾何形狀，設計探究更有效率的噴嘴形式，
其利用液態噴流(FC-77) 對熱源做冷卻沖擊， 雷諾數范圍8500~13000，Pr=25.3，噴嘴出口溫度固定20℃。Malin【8】和Spalding【9】分別使用標準k ?ε 模式和k ?ω 模式的變化，加以利用PHOENICS綜合行變程序(marching-inegration)計算自由噴射與沖擊壁面噴射，其中包含紊流動能增加項的無旋應變項，一般來說能改善紊流伸展率，作紊流剪應力與紊流動能的預測改善，使其接近噴射或沖擊壁的中心，但在外部區域會有點偏離。Srinath和David【10】噴流沖擊表面為各種不同形狀的小凹洞，將平均雷諾數定在4800~14800，并藉由改變凹洞的深度，采瞬時的液體晶格技術來量測熱傳量。San和Huang及Hsu【11】以空氣為工作流體，探討狹窄圓噴射沖擊冷卻中，各種H/d值、Re、表面熱傳率與加熱寬度對熱傳量之影響。

 

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