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计算机热管理中液体金属散热策略

收藏本文 2024-01-29 点赞:21142 浏览:94779 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:高集成计算机芯片的发展,传统的冷却方法将趋于其散热极限,对高性能芯片冷却的需求已上升到前所未有的层面。为了克服此类芯片所引发的热障问题,低熔点金属或其合金被引入计算机热管理。这一崭新的芯片散热方法引申出了大量的理论、试验及实际器件研制等的问题。本论文旨在对这一课题研究,所取得的进展如下:1、二元低熔点合金热物性的研究室温金属流体在芯片散热领域中正价值,但的热物性比较缺乏。基于Faber-Ziman理论,Ashcroft-Langreth硬球模型偏结构因子以及空核心模型赝势计算了液态二元镓铟及钠钾合金的电阻率,在此基础上Wiedemann-Franz-Lorenz(WFL)定律,了两类合金的热导率。作为对比,同时也对镓铟合金的热导率了实验测定。Iida唯象二元合金粘度理论分别计算了液态钠钾和镓铝合金粘度随原子组分浓度的变化关系。2、电磁驱动室温金属流体的数值模拟与实验研究作为电磁驱动室温金属流体散热系统的动力源,电磁泵影响着散热性能。为深入认识电磁泵驱动室温金属流体的特性,建立了相应的磁流体动力学方程,两类不同流道结构的电磁泵,有限元方法模拟了金属流体在电磁泵内的流速分布、电流分布以及进出口压差。同时,浇注方法制作了透明的室温金属流体电磁泵,开展了初步的静压测试,验证了计算方法和仿真程序的准确性;结果,室温金属流体电磁泵的进出口压差与磁感应强度和输入的电极电流成线性关系。3、基于NaK77.8芯片散热技术的数值评估CFD软件Fluent,对NaK77.8合金和水作为冷却工质的冷头性能了数值评估。数值结果:NaK77.8作为工质时的冷头性能要优于同等条件下水作为换热介质;NaK77.8较低的体积比热使其出口平均温度要比相同条件下的水来得高,同时在较高流速下的冷头性能更为优越;在高热流密度和极端环境下,基于液体金属NaK77.8冷头同样很好的性能。利用热分析软件Icepak对基于NaK77.8的芯片散热技术的冷却性能了系统级热仿真,考察和分析了远端散热器对整个冷却系统性能的影响。结果:远端散热器更易整个系统的散热瓶颈,阻碍热量的散发。4、液体金属散热技术应用于台式机和笔记本系统的研究在前期工作的基础上,对液体金属散热技术在实际计算机系统的应用了尝试。研制出一套可用于台式电脑的液体金属冷却系统,并对其联机后的实际应用性能了初步评估,测试结果液体金属冷却系统能地将台式计算机产生的热量带走。内部空间狭小和芯片集成的笔记本电脑,了液体金属冷却系统的笔记本解决方案。利用Icepak软件对其性能了数值评估,其结果令人满意。关键词:液体金属论文热管理论文芯片散热论化传热论文热导率论文粘度论文电磁泵论文系统级模拟论文台式机电脑论文笔记本电脑论文微纳米电子论文

    摘要3-5

    ABSTRACT5-8

    主要符号表8-13

    章 绪论13-33

    §1-1 课题背景13-14

    §1-2 计算机热管理中的典型液冷技术14-18

    §1-2-1 管路水冷散热14-15

    §1-2-2 喷雾冷却15

    §1-2-3 热管15-16

    §1-2-4 微通道冷却16-17

    §1-2-5 液体射流冲击冷却17

    §1-2-6 浸液冷却17-18

    §1-3 室温金属流体芯片散热技术的18-25

    §1-3-1 传统液冷方式存在的问题18

    §1-3-2 液体金属冷却方法的18-19

    §1-3-3 典型室温金属流体工质19-22

    §1-3-4 室温金属流体的驱动方式22-25

    §1-3-5 室温金属流体芯片散热技术的特点及优势25

    §1-4 计算机液体金属芯片散热技术的研究进展25-31

    §1-5 工作的主要内容31-33

    章 二元室温金属流体热物性的研究33-52

    §2-1 引言33-34

    §2-2 二元室温金属流体热导率的理论计算34-43

    §2-2-1 液体金属Ziman 理论34-36

    §2-2-2 二元室温金属流体热导率理论模型36-39

    §2-2-3 计算结果及讨论39-43

    §2-3 二元室温金属流体热导率的实验测量43-45

    §2-3-1 测量设备及原理43-44

    §2-3-2 实验与理论计算结果对比44-45

    §2-4 液态二元合金流体粘度的理论研究45-50

    §2-4-1 液体金属粘滞性研究的45-46

    §2-4-2 液态二元合金粘度理论模型46-48

    §2-4-3 计算结果及分析48-50

    §2-5 小结50-52

    章 电磁泵驱动室温金属流体的数值模拟与试验研究52-70

    §3-1 引言52

    §3-2 磁流体动力学理论52-57

    §3-2-1 基本的电磁方程52-54

    §3-2-2 磁流体电磁方程的推导54-56

    §3-2-3 磁场对流体运动的影响56-57

    §3-3 直流液体金属电磁泵工作原理及动力学方程57-59

    §3-3-1 直流液体金属电磁泵工作原理57

    §3-3-2 直流液体金属电磁泵的动力学方程57-59

    §3-4 直流液体金属电磁泵的数值模拟59-67

    §3-4-1 耦合场分析方法59-60

    §3-4-2 有限元软件COMSOL Multiphysics60-62

    §3-4-3 计算物理模型62-63

    §3-4-4 仿真计算结果63-67

    §3-5 实验对比67-69

    §3-6 小结69-70

    章 液态钠钾合金芯片散热技术的数值评估70-89

    §4-1 引言70-71

    §4-2 钠钾共晶合金作为载冷剂的冷头性能评估71-79

    §4-2-1 模型的建立71

    §4-2-2 控制方程及边界条件71-73

    §4-2-3 冷头流体湍流模型——RNG 模型73-74

    §4-2-4 仿真的结果74-79

    §4-3 基于 NaK77.8 合金芯片散热技术的系统级评估79-87

    §4-3-1 物理模型79-80

    §4-3-2 热分析软件Icepak 介绍80-82

    §4-3-3 液体金属循环冷却回路系统Icepak 模型82-83

    §4-3-4 仿真结果及讨论83-87

    §4-4 小结87-89

    第五章 实际计算机系统的液体金属散热器研制及评估89-113

    §5-1 引言89-90

    §5-2 台式机液体金属冷却系统的设计90-94

    §5-2-1 液体金属冷却剂90

    §5-2-2 冷头90-91

    §5-2-3 泵91-92

    §5-2-4 远端散热器92

    §5-2-5 管路92-94

    §5-3 台式机液体金属冷却系统的实验评估94-98

    §5-3-1 实验系统介绍94

    §5-3-2 实验结果与讨论94-98

    §5-4 笔记本电脑散热常用手段98-101

    §5-4-1 风冷98-99

    §5-4-2 热管冷却99-100

    §5-4-3 水冷冷却100-101

    §5-5 液体金属冷却系统笔记本解决方案101-104

    §5-5-1 传统笔记本散热方式存在的问题101-102

    §5-5-2 笔记本液体金属散热系统的设计102-104

    §5-6 笔记本液体金属冷却系统的仿真模拟104-112

    §5-6-1 笔记本电脑的Icepak 模型104-106

    §5-6-2 仿真结果及讨论106-112

    §5-7 小结112-113

    第六章 与展望113-117

    §6-1 全文总结113-115

    §6-2 的工作展望115-117

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