尹本浩，蔣威威，何 冰，余宏坤

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

液冷電子設(shè)備的冷板流阻匹配研究*

尹本浩，蔣威威，何 冰，余宏坤

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

液冷技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高密度航空電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)中，為了使航空電子設(shè)備的單機(jī)冷卻系統(tǒng)工作在接近理論設(shè)計(jì)工況下，在設(shè)計(jì)上必須保證其中的散熱器或冷板的流阻與載機(jī)環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流阻分配值相匹配。文中介紹了某機(jī)載電子設(shè)備液冷冷板的流阻匹配設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)熱流耦合仿真計(jì)算，擇優(yōu)選取了滿足散熱需求、同時(shí)流阻較小的方案。該方案很好地匹配了流阻指標(biāo)要求，得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。

液冷；流阻特性；匹配；熱仿真

引 言

近年來(lái)，隨著航空電子設(shè)備熱耗和熱流密度的持續(xù)升高，環(huán)控系統(tǒng)越來(lái)越多地開(kāi)始采用液冷技術(shù)。在目前廣泛采用的并行開(kāi)發(fā)模式下，環(huán)控系統(tǒng)和設(shè)備單機(jī)均會(huì)依靠仿真計(jì)算等方式并行開(kāi)展流阻分配和流量分配系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。而在詳細(xì)設(shè)計(jì)中，設(shè)備單機(jī)的流阻與分配值是否匹配的研究，則很少有人關(guān)注。僅有的研究資料[1-4]，大多集中在冷卻系統(tǒng)流阻分配本身的研究方面。

本文結(jié)合某航空電子設(shè)備的液冷冷板研制，基于數(shù)值計(jì)算、工程計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的分析方法，開(kāi)展了熱分析、流場(chǎng)分析和優(yōu)化等工作，詳細(xì)論述了電子設(shè)備流阻匹配設(shè)計(jì)的必要性以及設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)液冷航電設(shè)備的熱設(shè)計(jì)具有很好的參考意義。

1 邊界條件

某電子設(shè)備為模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)行多層布置、緊湊疊裝，采用了液冷冷板兩面貼裝發(fā)熱元器件的結(jié)構(gòu)形式。在方案階段，將單機(jī)設(shè)備的指標(biāo)要求分解為：

1)散熱總熱耗：600 W；

2)散熱考核要求：在+70 ℃環(huán)境溫度下，輸入+50 ℃、8 L/min的65#冷卻液[5]流量，滿足穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)時(shí)間工作散熱要求；

3)供液流量：4～20 L/min；

4)流阻考核要求：在+30 ℃、20 L/min的65#冷卻液供液條件下，水平放置單機(jī)的流阻為100 kPa ± 10%。

2 熱設(shè)計(jì)方案

電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)方案，首先是解決器件的散熱問(wèn)題，其次是冷卻系統(tǒng)的工作合理性問(wèn)題，即冷板的流阻匹配性問(wèn)題。該電子設(shè)備的簡(jiǎn)化物理模型如圖1和圖2所示。中心為液冷冷板，兩面分別貼裝發(fā)熱元件和功能器件，除PCB外，其余發(fā)熱元器件共6種。

圖1 簡(jiǎn)化CAD模型(正面)

圖2 簡(jiǎn)化CAD模型(背面)

各器件的熱物理參數(shù)見(jiàn)表1。熱設(shè)計(jì)方案應(yīng)使在+50 ℃、8 L/min供液條件下各器件工作溫度低于許用溫度要求，其中熱流密度最大的熱源芯片A、B為主要功率器件。按照實(shí)際設(shè)計(jì)和安裝條件，依次對(duì)芯片、載板、盒體、導(dǎo)熱脂、冷板等進(jìn)行建模，如圖3所示。文中對(duì)接觸熱阻和材料的熱物性[5-7]等均有詳細(xì)建模。

表1 發(fā)熱器件參數(shù)表

圖3 器件級(jí)建模

根據(jù)流體力學(xué)理論，流動(dòng)阻力由沿程阻力損失和局部阻力損失組成[8]。因此，有必要分離出液冷板的進(jìn)出口接頭和連接管道的流阻，以進(jìn)一步細(xì)分出液冷板內(nèi)部流阻指標(biāo)。根據(jù)簡(jiǎn)化伯努力方程[8]得：

式中，ζ為局部損失系數(shù)。

其中冷卻液的物性參數(shù)與溫度相關(guān)[5]，為非定常值，由廠家測(cè)定提供。進(jìn)出口管道模型見(jiàn)圖4。

圖4 進(jìn)出口管道模型

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，計(jì)算考核工況下的設(shè)備進(jìn)出口管道與接頭的壓降得：

ΔPconnecters≈48.7 kPa

因此，液冷板本身的流阻考核要求即為

ΔPcoldplate≈100-48.7=51.3 kPa

3 熱仿真分析

液冷冷板的研制需要設(shè)計(jì)流體通道和熱擴(kuò)散翅片，使流體流經(jīng)各個(gè)熱源的集中發(fā)熱部位，且不能在熱源器件下方形成流動(dòng)渦漩和滯流區(qū)域。根據(jù)總體布局、接口及功能需求，初步設(shè)計(jì)了串并聯(lián)混排流道的液冷冷板的方案，進(jìn)行了熱仿真分析和校核計(jì)算。熱仿真計(jì)算的控制方程包括能量守恒方程、動(dòng)量方程、連續(xù)性方程等。采用CFD軟件建立該電子設(shè)備的熱物理模型，共劃分為288萬(wàn)網(wǎng)格，如圖5所示。使用有限容積法和simple算法，離散計(jì)算各控制方程。熱仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 網(wǎng)格模型

器件數(shù)量/個(gè)熱耗/W最高殼溫/℃許用殼溫/℃結(jié)論A640102.6165滿足B475120.5150滿足C14088.9100滿足D111566.595滿足D225063.195滿足D313061.995滿足

熱仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明：在+70 ℃環(huán)境溫度、輸入+50 ℃冷卻液的條件下，熱源A、B的器件殼溫分別達(dá)102 ℃和120 ℃，滿足降額熱設(shè)計(jì)要求。

圖6 熱分析溫度云圖

4 流阻特性分析

在散熱可行的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)液冷板內(nèi)部的流動(dòng)形態(tài)和流阻特性曲線進(jìn)行分析。在流阻考核工況下，流動(dòng)狀態(tài)為層流及過(guò)程流，熱源區(qū)域流場(chǎng)的典型參數(shù)包括雷諾數(shù)Re(Re≈3 310)和貝克來(lái)數(shù)Pe(Pe≈2 345)。

計(jì)算結(jié)果的流場(chǎng)速度和靜壓力云圖如圖7所示。由圖7可以看出：首先，中間區(qū)域內(nèi)的高速流動(dòng)仍然集中在熱源模塊的分界處，流動(dòng)并不均勻；熱源D1對(duì)應(yīng)的區(qū)域幾乎為流動(dòng)死角，靜壓很大；此處冷卻液資源并不能產(chǎn)生良好的換熱。其次，流動(dòng)的壓力損失比較大，冷板的進(jìn)出口靜壓差約為92.8 kPa，大大超出了流阻考核指標(biāo)。

在以上冷板設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)中心區(qū)域的冷板流道倒流筋設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改，對(duì)流動(dòng)靜止區(qū)域的散熱齒高度進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)了空腔區(qū)域，如圖8所示，流場(chǎng)內(nèi)的阻力得到了極大改善，流阻降低至35.2 kPa，低于流阻考核要求。但同時(shí)空腔區(qū)域的設(shè)計(jì)使熱源A和熱源D1下方的流體未能充分?jǐn)_流，散熱惡化。

圖8 冷板的流場(chǎng)分析(Δp≈35.2 kPa)

這里有必要闡述單機(jī)設(shè)備流阻匹配性對(duì)環(huán)控系統(tǒng)工作的動(dòng)態(tài)影響，有流阻偏高、偏低、匹配3種情況。

如果單機(jī)設(shè)備的流阻偏高，其影響是顯而易見(jiàn)的：環(huán)控系統(tǒng)工作負(fù)載增大，耗能增加；設(shè)備本身的冷卻液流量減少，熱設(shè)計(jì)偏離設(shè)計(jì)工況，散熱效能惡化。

如果單機(jī)設(shè)備的流阻偏低，僅從單機(jī)本身來(lái)說(shuō)，是有利于設(shè)備的工作可靠性的：一方面，單機(jī)服役時(shí)的散熱器內(nèi)部壓力不均勻性會(huì)得到改善，可極大地減緩壓力沖擊和疲勞損傷問(wèn)題；另一方面，單機(jī)在流阻偏低情況下，接入上級(jí)環(huán)控的分液系統(tǒng)后，在相同條件下可以獲得更多的冷卻液流量。但從上級(jí)環(huán)控系統(tǒng)的角度來(lái)看，單個(gè)設(shè)備流阻偏低意味著：已經(jīng)設(shè)計(jì)好的分液系統(tǒng)，無(wú)法工作在理論設(shè)計(jì)點(diǎn)；與之并聯(lián)的其它單機(jī)設(shè)備的流量分配受到干擾；環(huán)控系統(tǒng)的工作可能產(chǎn)生激蕩；其它并聯(lián)流路會(huì)產(chǎn)生流量偏少、散熱惡化的問(wèn)題。這給環(huán)控系統(tǒng)的有效工作帶來(lái)極大的不確定性。

因此，單機(jī)設(shè)備的流阻設(shè)計(jì)偏高或偏低均有較大影響，匹配性設(shè)計(jì)的命題就此產(chǎn)生。流阻匹配設(shè)計(jì)有利于確保接入環(huán)控系統(tǒng)的每個(gè)工作單元和每個(gè)電子設(shè)備，均工作在理論工況附近，系統(tǒng)工作的有效性、性能指標(biāo)和可靠性均得到一定的保證。

針對(duì)上述2個(gè)方案中流阻偏高和流阻偏低散熱惡化的問(wèn)題，進(jìn)一步開(kāi)展了液冷板的流道設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，主要改進(jìn)措施包括：

1)對(duì)冷板流道截彎取直；

2)對(duì)需要強(qiáng)化散熱的熱源點(diǎn)，設(shè)計(jì)不均勻流道，強(qiáng)迫流體流經(jīng)熱源點(diǎn)下方；

3)在流道中設(shè)計(jì)一定的斜面、坡角和圓角，可以有效引導(dǎo)流體的轉(zhuǎn)向和流動(dòng)；

4)局部空腔化設(shè)計(jì)；

5)局部形成收縮喉部以增加流阻。

在此思路下進(jìn)行了迭代設(shè)計(jì)和仿真分析。最終設(shè)計(jì)狀態(tài)的冷板，其流動(dòng)仿真分析結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出：流線分布相對(duì)趨于均勻，冷卻液的利用率也相對(duì)較高，有利于局部換熱系數(shù)的提高；冷卻液的流動(dòng)阻力，即靜壓差降低至52.9 kPa。從再次熱仿真校核可知，熱設(shè)計(jì)同時(shí)滿足降額要求。因此選擇該方案為最終的液冷板研制方案。

圖9 冷板的流場(chǎng)分析(Δp≈52.9 kPa)

在此方案下，計(jì)算了冷板工作在0～20 L/min條件下的流阻特性曲線，即壓降曲線，如圖10所示。流阻與流量的關(guān)系，呈現(xiàn)非線性升高關(guān)系，這與文獻(xiàn)[8]對(duì)這類(lèi)平板流道的預(yù)估比較一致。

圖10 冷板的流阻曲線

5 流阻測(cè)試試驗(yàn)

對(duì)改進(jìn)后的液冷板設(shè)計(jì)方案，搭建了流阻測(cè)試系統(tǒng)，其流程圖如圖11所示。由泵、閥門(mén)、流量傳感器、溫度及壓力傳感器、液冷板、模擬熱源及冷卻液回液箱等構(gòu)成一個(gè)封閉的循環(huán)回路。

圖11 流阻測(cè)試試驗(yàn)框圖

在考核工況下，測(cè)試了液冷板的流阻特性曲線。如圖12所示?？己斯r下的流阻約為55.8 kPa，與理論分析值52.9 kPa偏差5.5%。

圖12 流阻測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)測(cè)值與理論分析的相符度竟然非常高，滿足了考核指標(biāo)要求。這里有偶然因素,也有必然因素。一方面，這表明熱物理模型的細(xì)節(jié)準(zhǔn)確性，對(duì)仿真分析結(jié)果異常重要；另一方面也證明了CFD仿真分析，可以提供較為準(zhǔn)確的流阻預(yù)估值，這是一種可行的方案研究方法。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從工程角度闡述了流阻匹配的重要性。以某機(jī)載液冷電子設(shè)備的冷板研制為例，從邊界劃分、方案設(shè)計(jì)、計(jì)算仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證等角度開(kāi)展了研究工作，展現(xiàn)了一個(gè)以指標(biāo)匹配為目標(biāo)的電子設(shè)備液冷板流阻匹配設(shè)計(jì)過(guò)程。而試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：充分詳實(shí)的CFD仿真分析，是液冷板設(shè)計(jì)的有力補(bǔ)充，且仿真結(jié)果具有比較準(zhǔn)確的可信度。

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尹本浩(1983-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)研究。

Research on Flow Resistance Matching Design of Liquid Cooling Cold Plate for Electronic Equipment

YIN Ben-hao，JIANG Wei-wei，HE Bing，YU Hong-kun

(The29thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China)

Liquid cooling technology has been widely used in high density avionics cooling system. In order to make operating conditions for electronic apparatus stand-alone cooling system close to the theoretical design conditions, it must be ensured that the value of radiator or the flow resistance of the cold plate matches the value distributed by the aircraft environmental control system design. This paper introduces a flow resistance matching study of liquid cooling cold plate in airborne equipment. Corresponding to the cooling requirements and flow resistance suitable, a acceptable design is selected by heat-flux coupled simulation. The flow resistance characteristic is well-matched and verified by experiment.

liquid cooling; flow resistance characteristic; matching; thermal simulation

2013-01-30

TN956；TK123

A

1008-5300(2013)02-0001-04