基于ICEPAK 的水冷基板散熱器數值模擬分析

張新

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林132200）

交流傳動電力機車是我國所使用的主要車型，其內部安裝有多種電器設備，電器設備在運行時會生成許多的熱量，如果不能夠及時散熱，不但會妨礙電器設備的正常功能，還可能會引發故障，導致設備損壞，造成不必要的損失。現今在工程應用方面，散熱器的形式是多種多樣的，但水冷散熱器由于設計結構難以掌握，容易影響散熱效果，若是靠著一次次的試驗嘗試，周期長，費用高，還可能受到環境、儀器設備等客觀條件影響，導致試驗的結果不準確，從而到不到理想的散熱效果。但若是提前通過CFD 方法數據模擬，仿真分析，能夠不斷實現結構優化，節約開發成本，節省時間，確保產品質量。本文通過ICEPAK 軟件進行數據仿真分析，對象為國內某電力機車所使用的水冷式散熱器，通過得到的流體流動和溫度分布分析從而進行結構優化。

1 問題描述

水冷散熱器的設計應該在冷卻能力確保機車上的所有裝備能夠在最高溫度條件下正常運行的前提下，盡量節約成本，比如水冷散熱器的材料，體積，重量，人工等各個方面。從這個角度出發，我們可以選用鋁制的水冷板，并且水冷板不得有彎曲變形，表面粗糙度要低。之所以選用鋁板，是由于在體積相同的前提下，鋁制材料的散熱性能較鐵質材料要更好一些，同時密度又低，這樣可以大大提高性價比，適合批量生產。本次所選用水冷板的尺寸參數如圖1 所示，尺寸為長×寬×高=300 毫米×300毫米×30 毫米。

圖1 功率元件布置圖

2 進行熱力分析及仿真

2.1 模型建設

我們已經確定了水冷板的外形尺寸為長×寬×高=300 毫米×300 毫米×30 毫米，接下來我們先使用ICEPAK 軟件中的cabinet 命令獲得求解域，緊接著按照我們確定的散熱器水冷板外形數據采用block 命令生成水冷板，最后再使用source/opening 等功能完善出IGBT 模塊和二極管等發熱模塊的熱量來源、冷卻水的流動方向的位置與基本參數。所建設的模型參考圖2。

圖2 仿真出的水冷板

2.2 臨界條件與初始狀態的確定

我們在使用ICEPAK 軟件建設水冷板模型過程中，應該在對應界面更改數據的初始狀態與臨界條件，來建設出符合要求的數據模型，具體修改內容如下：氣體流動狀態:穩定狀態、防止紊流；所選用流體為水；水冷板的材質選擇鋁制；周邊假設空氣環境溫度為零上四十五攝氏度；要充分考慮到輻射以及重力；輸入電阻的功率能耗為二百五十瓦；IGBT 模塊的功率選擇為五百一十瓦；二極管模塊的功率修改為六百八十瓦。

2.3 網格的導出

雖然此時我們獲得了網格圖，但此圖是ICEPAK 軟件繪制出的最大尺寸，我們需要進行優化處理，優化處理的目標為水冷板的內部，從而獲得更好的精準度。最終獲得的單元數為177096，獲得的節點數為186588。網格圖如圖3 所示。

圖3 水冷板有限元模型

2.4 控制方程

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

注意，湍流動能與能耗方程見下面：

2.5 求解計算

經過ICEPAK 軟件迭代計算數據次數達到三百次時，計算結束，數據曲線成型，我們得到計算結果。

3 分析計算結果

3.1 分析散熱器溫度

條件設置為進入口水的流速為2.7 米每秒，相當于水的流量為50.9 升每分鐘，當總的耗散功率為1.44 千瓦時，散熱器的溫度上升到44.76 攝氏度，熱阻達到0.0311 攝氏度每瓦。散熱器的最高溫度達到89.76 攝氏度，與我們的設計要求相符。表面溫度分布圖如圖4 所示。

圖4 散熱器表面溫度分布

3.2 分析散熱器的流場

當液體的流量達到50.9 升每分鐘時，散熱器中間平面的速度分布參考圖5。我們通過觀察圖5，能夠發現冷卻器內冷卻液的流動方向并不均勻，有些地方根本就沒有流體經過，導致我們的冷卻散熱成果沒有達到預期目標。

圖5 散熱器內部流速分布

3.3 相同結構的散熱器不同流速下計算結果對比分析

在上述的基礎上，在入口inlet 處分別設置水流速2.8 米每秒、2.9 米每秒、3.0 米每秒、3.1 米每秒，即水流量分別為52.升每分鐘、54.6 升每分鐘、56.5 升每分鐘、58.4 升每分鐘。得到的數據如表1 所示：

表1 不同流速下散熱器參數

由表1 可以看到，當散熱器入口處流體的流速增加時，散熱器表面的溫度會隨之降低，隨之降低的還有熱阻，但降低的幅度在逐漸減小。因為我們可以通過數據看到，當流體的流速達到一定值時，散熱器表面的溫度降低的幅度隨之減小。所以我們可以得出一個結論，散熱器中冷卻液的流量是決定散熱器散熱功能的重要條件。

4 結論

4.1 本文章對我國國內機車常用的水冷型散熱器的散熱性能進行了三維模擬，所使用的軟件為ICEPAK 軟件，通過對水冷板進行計算機仿真,直觀的描述了散熱器的流場和溫度分布，仿真結果對散熱器的前期設計工作具有重要的參考價值，節約研發時間，節省工作成本。

4.2 通過對同一種結構的散熱器不同水流量的計算可以看到，隨著水流量的增加，散熱器表面的最高溫度隨之減小，但增加到一定程度，溫度下降的較緩慢。