多元件小空间中辐射耦合传热自维持振荡及混沌研究

Taking compact electronic equipment's cooling problem as the background, natural convection of air is numerically simulated in a small space coupled with some bodies' surface radiation. The FVM with a QUICK scheme is improved which can accurately handle problems of bodies' surface radiation coupled in natural convection and enclosures' heat transfer and radiation coupled in natural convection. A numerical method is provided to simulate nonlinear problems for the flow and heat transfer in a small space with some bodies' surface radiation coupled in natural convection. The law of heat transfer and mechanism of heat strengthening are analyzed. Meanwhile, an advanced experimental test method is carried out for validation and complementary. The experiments are conducted by the methods of laser holographic interferometry photography and smoke visualization. By the nonlinear analyses of phase trajectory, power spectrum, trajectory attractor and Lyapunov exponent, the development and transition of flow and heat transfer change from HOPF bifurcation, multi-periodical oscillation to chaos are investigated. The function mechanism and thermal characteristics are revealed for a small space with some bodies' surface radiation coupled in natural convection. The influence of complex physical and geometrical parameters on the nonlinear characteristics is studied. The basic influence factors and functions of occurrence, development, and evolution are defined. A science control method is put forward to strengthen small electronic equipment's cooling. The relevant heat transfer theory and cognitive ability are expanded.

本课题针对小型电子设备散热难的问题，以小空间多体自然对流与多辐射点耦合传热为研究对象，改进QUICK差分格式的有限容积法，更准确地处理多体自然对流与多辐射点耦合、壁面导热及辐射与自然对流耦合问题，提供一种适用于小空间对流与辐射耦合的复杂传热非线性问题的数值方法，解析其中的传热规律和散热强化机制。同时采用先进的实验测试方法，开展验证性和互补性研究，利用非接触激光干涉和微流烟风示踪可视化等手段，分析相轨迹、功率谱、轨道吸引子、李亚普诺夫指数等非线性特征，研究自维持振荡从倍周期振荡、拟周期振荡、非周期振荡到混沌的发展历程和演变特性，揭示其耦合多点辐射的多体绕流自然对流传热机理、作用机制及相互作用程度，系统研究复杂物理几何条件对传热非线性特征的影响，界定其中发生、发展、演变过程的基本影响因素和作用，以及客观热边界条件的影响与作用，提出小型电子设备强化散热的科学控制方法，拓展相关传热理论。

本项目针对小型电子设备散热难的问题，以小空间多体自然对流与多辐射点耦合传热为研究对象，改进QUICK差分格式的有限容积法，更准确地处理多体自然对流与多辐射点耦合、壁面导热及辐射与自然对流耦合问题，提供一种适用于小空间对流与辐射耦合的复杂传热非线性问题的数值方法，解析其中的传热规律和散热强化机制。同时采用先进的实验测试方法，开展验证性和互补性研究，利用非接触激光干涉和微流烟风示踪可视化等手段，分析相轨迹、功率谱、轨道吸引子、李亚普诺夫指数等非线性特征，研究自维持振荡从倍周期振荡、拟周期振荡、非周期振荡到混沌的发展历程和演变特性，揭示其耦合多点辐射的多体绕流自然对流传热机理、作用机制及相互作用程度，系统研究复杂物理几何条件对传热非线性特征的影响，界定其中发生、发展、演变过程的基本影响因素和作用，以及客观热边界条件的影响与作用，提出小型电子设备强化散热的科学控制方法，拓展相关传热理论。. 主要结论是：. 1. 在稳定区域内，当具有单热源，长高比不同时，均形成2个对称涡卷；随着长高比率增加，涡卷数量并未增加，只是形状变宽；在小Rayleigh数范围内，方形空间比扁平空间换热效果好，高温热源对腔内的影响有一定范围的，影响区域主要集中在水平方向4倍热源宽度，垂直方向2倍热源高度；随着热源几何尺寸(高度、宽度、高度和宽度）增加，换热逐渐加强；热源位于中心散热效果最好，位于边缘散热效果较差；在小Rayleigh数范围内，无论边界条件如何变化，方形空间换热效果均较好。. 2. 在高温热源影响范围内，研究三维问题时，可用二维模型代替；方腔内考虑壁面辐射之后，辐射与对流比基本稳定在0.42，辐射对换热产生较大影响，不可忽略，随长高比率增加，侧壁面传热逐渐减弱。. 3. 在非稳定区域，随着Rayleigh数增加，流动基本分成四个区域：稳定、单倍周期、拟周期、混沌区域。但在某些特殊情况下，流动并未按此过过程变化；在非稳定区域内，长方体腔比正方体腔散热效果好；几何条件对非线性状态的临界值存在一定影响，随着热源高度增加，流动越来越早进入混沌状态，对方腔的散热效果越来越有利；随着热源数量增加，流动越来越晚进入混沌状态，对方腔的散热效果越来越不利；热源位于周边比中间位置，对方腔换热效果更有利；以上研究规律适用于电子的几何尺寸在0.01~0.37m范围。