液冷散熱器流道截面形狀研究?

徐鵬卓 韓鐘劍 宋 丹

（1.中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068）（2.中國電子科技集團公司第二十研究所高端電子裝備工業設計中心 西安 710068）

1 引言

隨著軍用電子裝備的迅速發展，大熱耗、高熱流密度、輕量化要求成為其熱控設計的關鍵要素［1］。有研究指出，對于單個電子器件，溫度每升高10℃，其可靠性就降低50%［2］。溫度過高不僅會損傷電路的連接器件、還會增加電子器件的電阻值并會增加一定的熱應力損傷。電子器件本身的溫度升高時，將會大大降低器件以及電子設備系統的使用壽命。

常規風冷散熱［3～5］的最大散熱能力有限，逐漸不能滿足日益升高的散熱需求。液冷散熱［6～9］通常使用的冷卻工質具有高比熱容和高熱導率的特點。液冷散熱是通過冷卻工質［10］流過流道，與熱源進行充分換熱，將熱量帶走的散熱方式，相比于風冷散熱，液冷散熱具有散熱能力強，溫度均勻性好、不產生噪音等優點。

同時，現有液冷散熱器的流道截面形狀多為容易加工的矩形截面［11～12］和圓形截面［13～14］，散熱能力可進一步提高。本文研究了多種流道截面形狀對于液冷散熱器散熱能力的影響，對實際設計中液冷散熱器截面形狀的選擇具有一定的指導意義。

2 物理模型及驗證

2.1 物理模型和邊界條件

為了便于分析，本文的研究對象為直流道液冷散熱器。散熱器的長度是80mm，寬度是74mm，高度是8mm。在散熱器上方中心處布置熱源，熱源為30mm×30mm正方形區域，功率為100W。散熱器沿著長度為80mm的方向上，分布著相互平行的10條流道，每條流道的截面形狀都相同，且不同截面的面積相同，都為10mm2。

散熱器流道的上下邊界處距離散熱器上下表面的距離都相等，例如：3#散熱器的通道截面為等腰三角形，截面頂角到上表面的距離為1.5mm，截面底邊到下表面的距離也為1.5mm。本文中不同散熱器之間僅有流道截面形狀不同的區別，涉及到的散熱器流道截面尺寸信息如表1所示。

表1 散熱器流道截面的尺寸

本文中的4 種散熱器具有不同的流道截面形狀，如圖1 所示，并且為方便敘述，流道從左至右序號分別記為為1到10。

圖1 不同散熱器通道截面形狀

以3#散熱器為例，如圖2所示。固體域為默認設置、流體域設置為65#冷卻液，環境溫度為20℃。入口設置為速度入口，速度為0.2m/s，出口設置為壓力出口，壓力為一個標準大氣壓。

圖2 3#散熱器三維模型

2.2 控制方程

冷板三維模型的數值仿真在ICEPAK 軟件上進行。使用該軟件得出散熱器在穩態條件下的傳熱性能，假設如下：1）穩態過程；2）不可壓縮流體；3）層流流動；4）流體物性參數恒定；5）熱源與散熱器之間的熱阻忽略不計；6）散熱器除出入口外的其他表面為絕熱。控制方程如下：

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

2.3 模型驗證

本文中的多個散熱器外形尺寸完全相同，只有流道截面形狀不同，在進行網格無關性驗證時，以0#散熱器為例進行驗證。表2 顯示的是0#散熱器在網格加密過程中，出入口的壓差ΔP以及相對于網格4的差值。

表2 0#散熱器的網格無關性驗證

在0#散熱器獲得網格無關解后，得到此時的網格參數信息，對于其他的散熱器也都設置為相同的網格參數信息，也能保證其他散熱器的仿真結果獲得網格無關解。根據表2 的信息，選擇網格3 對應的網格參數信息。對于其他散熱器，網格數量為40萬左右時，也都認為達到了網格無關解。

3 參數說明

本文中，換熱系數定義如下：

其中，q為熱流密度，Tw,ave為散熱器表面平均溫度，Tf,ave為流體平均溫度。

本文中，水力直徑定義如下：

其中，S是單個流道截面面積，C是單個流道截面周長。

本文中，摩擦系數定義如下：

其中，ΔP為出入口的壓差，L為流道的長度，ρ為流體密度，Uave為入口平均流速。

同時，本文定義綜合性能參數：

綜合性能參數同時考慮了散熱器的換熱能力和壓降，該參數取決于h和h0的比值、f和f0的比值。其中h0和f0是0#散熱器對應的換熱系數和摩擦系數。

4 數值分析及討論

4.1 中心橫向截面溫度分布

散熱器中心處的溫度較高，通過分析不同散熱器中心橫向溫度及其分布，能夠得到不同流道截面形狀對于散熱器溫度分布的影響。以3#散熱器為例，該截面的位置如圖3所示。

圖3 中心橫向截面示意圖

根據本文中4 種散熱器的仿真結果，中心橫向截面處的溫度分布如圖4所示。

圖4 中心橫向截面溫度云圖

根據溫度云圖，散熱器中心橫向截面處，中間溫度高，兩邊溫度低，不同散熱器的中心截面溫度極值如表3所示。

表3 散熱器中心橫向截面溫度極值

由表3 可以得到，0#、1#和2#散熱器中心截面處的溫度極大值相差不大，0#散熱器中心截面處溫度極小值較低。相較于其他散熱器，3#散熱器中心截面處溫度的極大值和極小值均為最小。

4.2 水平截面溫度分布

水平截面的位置為散熱器上表面豎直向下0.5mm 處，以3#散熱器為例，該截面的位置如圖5所示。

圖5 水平截面示意圖

根據本文中4 種散熱器的仿真結果，水平截面處的溫度分布如圖6所示。

圖6 水平截面溫度云圖

散熱器水平截面處，中心溫度高，四周溫度低。不同散熱器的水平截面溫度極值如表4所示。

表4 散熱器水平截面溫度極值

由表4 可知，0#、1#和2#散熱器水平截面溫度的極大值數值接近，極小值也相差不大，只是1#散熱器的兩個數值稍大。相比于其他散熱器，3#散熱器水平截面溫度的極大值和極小值都最小，低于其他散熱器對應數值2℃左右。

4.3 通道壓力分布

在距離散熱器上表面4mm 處的水平截面上得到散熱器流道壓力分布云圖。該截面位于散熱器豎直方向的中點處，以3#散熱器為例，該截面的位置如圖7所示。

圖7 流道壓力云圖

不同散熱器的流道截面形狀不同，導致流道出入口壓差不同。表5 比較了不同散熱器10 個流道出入口壓差的平均值。

表5 散熱器流道出入口壓差平均值

由表5 可知，2#散熱器流道的出入口壓差平均值最小，3#散熱器流道的出入口壓差平均值最大。

4.4 通道縱向速度分布

散熱器的10 個流道相同，僅研究其中一個流道的速度分布即可。本文選擇序號為5 的流道進行研究，仿真得到該流道中心縱向截面處速度云圖，以3#散熱器為例，該截面的位置如圖8所示。

圖8 流道中心縱向截面示意圖

根據本文中4 種散熱器的仿真結果，流道中心縱向截面處速度分布如圖9所示。

圖9 流道中心縱向截面速度云圖

通過分析圖9 的速度云圖，可以獲得散熱器流道內的速度分布特點。在靠近流道壁面處，速度較小，在靠近流道中心軸線處，速度較大。特別地，對于3#散熱器來說，在等腰三角形頂角處形成速度旋渦，具體如圖10所示。

圖10 3#散熱器速度云圖

4.5 綜合性能分析

本文定義的綜合性能參數包括熱力學參數和流體力學參數，分別為換熱系數h和摩擦系數f。在分析本文中4 種散熱器綜合性能之前，先分析不同散熱器的這兩個參數。

圖11 展示的是不同散熱器換熱系數的比較結果，從圖中可以看出，1#散熱器的換熱系數最小，3#換熱器的換熱系數最大，除了3#散熱器，其余散熱器的換熱系數都比較接近。

圖11 不同散熱器換熱系數的比較

圖12 展示的是不同散熱器摩擦系數的比較結果，從圖中可以看出，2#散熱器的摩擦系數最大，1#散熱器的次之，0#散熱器和3#散熱器的摩擦系數相當，在散熱器中最小。

圖12 不同散熱器摩擦系數的比較

圖13 展示的是不同散熱器綜合性能參數的比較結果，3#散熱器的綜合性能參數最大，0#散熱器的次之，1#和2#散熱器的數值相當，且為最小。可以看到，相比于0#散熱器，3#散熱器的綜合性能參數提高了17%。

圖13 不同散熱器綜合性能參數的比較

5 結語

本文構建了不同流道截面形狀的液冷散熱器模型，研究了4 種散熱器多個截面處的溫度分布情況、流道壓力分布情況以及流道速度分布情況。同時，本文還研究了這4 種散熱器的換熱系數、摩擦系數以及綜合性能參數。得到以下結論：

1）散熱器溫度分布呈現中心高、四周低的特點，3#散熱器的最高溫度低于其他散熱器2℃左右。

2）2#散熱器的出入口壓差平均值最小，3#散熱器的出入口壓差平均值最大。

3）散熱器流道內速度分布呈現靠近壁面處速度較小，靠近中心軸線處速度較大的特點，另外，3#散熱器在等腰三角形頂角處形成速度旋渦。

4）1#散熱器的換熱系數最小，3#換熱器的換熱系數最大。2#散熱器的摩擦系數最大，0#散熱器的摩擦系數最小。3#散熱器的綜合性能參數最大，2#散熱器的綜合性能參數最小。