Regime der instationären Strömung über dem Kühlkörper

Für meine Masterarbeit simuliere ich die Kühlung eines 2,5D Mikrochips (2 Dies nebeneinander auf einem Interposer (Siliziumscheibe mit Verbindungen)). Ich möchte also den Fluss über den Chip und den angeschlossenen Kühlkörper mit gerader Rippe berechnen. Das Fluid kann nur durch die Rippen des Kühlkörpers fließen. Die Eintrittsgeschwindigkeit beträgt über 2 m/s, so dass keine natürliche Konvektion beeinflusst wird. Der Fluss kann als eine Kombination aus einem nach vorne gerichteten Schritt und einem nach hinten gerichteten Schritt angesehen werden.

Ich habe die Reynolds-Zahl zwischen den Lamellen berechnet und sie war 1075. Die Strömung sollte also laminar sein (oder zumindest denke ich das). Aufgrund der hohen Geschwindigkeit ist die Strömung hinter dem Kühlkörper instationär (ich kann die Strömung nur mit der transienten Option in fließend berechnen). Ich nahm an, dass es sich um eine instationäre laminare Strömung handelte. Aber wenn ich mir die Geschwindigkeit an einem Punkt anschaue, ist sie zeitlich nicht periodisch. Die Strömung hinter dem Kühlkörper könnte sich also im Übergangs- oder Turbulenzbereich befinden. Aber da bin ich mir nicht sicher.

Gibt es eine Möglichkeit, das Regime hinter dem Kühlkörper zu überprüfen?

Haben Sie Bilder der Kühlkörpergeometrie und Simulationsergebnisse? Wenn ich raten müsste, geht Ihr Kühlkörper nicht reibungslos wieder in den freien Strom über, sodass Sie am Ende mit einer gewissen Trennung an der Hinterkante der Rippen enden.
Dies scheint eher eine Frage der Fluiddynamik als der Elektronik zu sein.
@Spehro - das ist es in der Tat, aber es ist sicherlich ein berechtigtes Anliegen für das Elektronikdesign. Eine gute Antwort wäre eine nützliche Ressource.
@BrianDrummond In der Tat. Ich frage mich, ob er woanders vielleicht eine bessere Chance hat, eine gute Antwort zu bekommen.
Der Kühlkörper ist 28 x 28 mm groß. Es gibt 10 Lamellen mit einer Höhe von 10 mm. Der Querschnitt des Kanals zwischen den Rippen beträgt 2 x 10 mm. Der Eingangs- und Ausgangskanal hat eine Breite von 28 mm und eine Höhe von 15,24 mm. Die gesamte Strömung muss durch die Lamellen fließen.

Antworten (1)

Selbst wenn die Strömung ansonsten laminar war, hat ein quadratischer Stift bei allen außer den langsamsten Geschwindigkeiten eine abgelöste Strömung mit einem turbulenten Nachlauf. Wo der laminar-turbulente Übergang auftritt, hängt von der genauen Geometrie ab, aber Rauheit und plötzliche Stufen neigen dazu, Turbulenzen zu fördern. Die Strömung durch den Kanal vor dem Kühlkörper ist wahrscheinlich auch turbulent, da sie schnell ist und höchstwahrscheinlich von einem Turbulenzen erzeugenden Lüfter angetrieben wird. Legen Sie nicht zu viel Wert auf die Reynolds-Zahl, um festzustellen, ob eine Strömung laminar ist, denn sobald eine Strömung turbulent wird, neigt sie dazu, turbulent zu bleiben. Es ist möglich, die Turbulenzen zu dämpfen, aber normalerweise erfordert dies einen besonderen konstruktiven Aufwand.

Nachdem ich sowohl CFD-Simulationen als auch vereinfachte Berechnungen in geschlossener Form ähnlicher Probleme durchgeführt habe, bevorzuge ich geschlossene Form. Mein Ansatz wäre, die Rippengeometrie und die Durchflussrate zu verwenden, um einen äquivalenten Filmkoeffizienten zu berechnen H für eine flache Platte in der gleichen Größe wie die Basis des Kühlkörpers. Das Intro von Incropera und DeWitt zum Wärmeübertragungsbuch ist eine gute Quelle für die Formeln dafür. Verwenden Sie dies dann als Randbedingung für die konduktive Wärmeübertragung von den Chips auf die Kühlkörperoberfläche. Ein stationäres Wärmeleitungsproblem ist viel einfacher einzurichten und schneller zu lösen, als es ein transientes CFD-Problem jemals wäre. Zumindest wird es eine gute Prüfung gegen die Simulation sein.

Danke für deine Antwort! Aber das Ziel meiner Masterarbeit ist es, einen effizienten Weg zu finden, um die Kühlung für 2,5D-Mikrochips zu berechnen. Daher wollte ich durch einen Vergleich mit einer vollständigen CFD-Berechnung beweisen, dass eine FEM-Simulation mit einem konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten h aus Korrelationen ausreichend genau ist. Und wie Sie sagen, ist die Strömung hinter dem Kühlkörper höchstwahrscheinlich keine laminare Strömung. Dann bleibt die Frage, um welche Art von Strömung es sich handelt. Es könnte sich in einem Übergangs- oder turbulenten Regime befinden. Es ist wichtig, dies zu wissen, um die richtigen Gleichungen (k-Epsilon-Modell usw.) zu verwenden.
Regime der instationären Strömung über dem Kühlkörper
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