高俊帥，崔洪江

(1.中國北車集團 大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116022;2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧大連116028)*

水冷基板散熱器數(shù)值模擬及結構優(yōu)化分析

高俊帥1，崔洪江2

(1.中國北車集團 大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116022;2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧大連116028)*

通過對水冷基板式散熱器進行建模，并采用CFD數(shù)值仿真分析軟件對冷卻液循環(huán)流動的流場分析及傳熱分析.根據(jù)分析結果對散熱器冷卻液管道結構進行優(yōu)化，并完成優(yōu)化方案的流動與傳熱計算.計算結果表明，在相同進口速度時優(yōu)化后的散熱器表面最高溫度較原方案相比下降幅度較大，最高為5.84%.

水冷基板散熱器;傳熱;數(shù)值模擬;守恒定律

0 引言

大功率交流傳動電力機車內(nèi)部裝有許多大容量的電器設備，這些設備的工作電流很大，能夠生成大量的熱量，如果不能很好的解決散熱問題，不僅影響到設備的性能，還會縮短電力電子器件的壽命［1-2］.

傳統(tǒng)的電器設備的散熱方式基本上是采用通風對器件進行冷卻［3］.但是，隨著機車大功率的發(fā)展，越來越多更大功率的電力電子器件的應用，也對冷卻提出了更高的要求［4］.于是，水冷散熱器以其良好的散熱效果逐漸被嘗試使用在電力電子器件上.目前在工程應用方面，水冷散熱器的結構設計大部分是經(jīng)驗設計.但采用試驗的方法對散熱器進行性能測定，存在著時間長、成本高、試驗條件有限等因素.而利用基于計算流體動力學方法對散熱器進行仿真分析，可以有效地改進設計，節(jié)省研發(fā)成本［5-6］.

本文對大功率交流傳動電力機車常用的大容量電力電子器件，采用FLUENT軟件［7］進行水冷散熱器的散熱過程仿真計算，得到散熱器的溫度分布及冷卻液的流場分布.通過對冷卻液流動通道的結構優(yōu)化，對比優(yōu)化前后的數(shù)值仿真分析結構，為該散熱器的設計提供計算依據(jù).

1 設計要求

大功率交流傳動電力機車的牽引變流器裝置功率模塊發(fā)熱量較多，而傳統(tǒng)的空冷散熱已顯得能力不足，因此本次設計采用水冷散熱器對其進行散熱.根據(jù)功率模塊的外形尺寸及其空間位置布置要求，確定水冷基板的外形尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，內(nèi)腔尺寸為290 mm×290 mm×20 mm.功率元件位置布置圖如圖1所示.

圖1 功率元件布置圖

功率模塊耗散功率如表1所示.

散熱器設計的目的是要保證大功率電子元件在最大功率下可靠工作，同時又要降低散熱器的重量及加工成本.根據(jù)對比鐵、銅、鋁等材質(zhì)的導熱系數(shù)，在截面積和厚度相同的條件下，鋁板的導熱系數(shù)大于鐵板，而重量要小于鐵板和銅板，成本遠低于銅板.水冷基板的材料選用鋁板，要求表面加工平整、光滑.

表1 電子元件耗散功率

2 模型建立及仿真計算過程

根據(jù)散熱器的外形尺寸及電子元件的布置位置，在三維建模軟件中完成模型建立，包括IGBT模塊、功率二極管及電阻模塊、冷卻水的進出管道等.

通過FLUENT軟件基于有限容積法對模型進行流體動力學計算分析.首先對模型加載初始條件和邊界條件，將散熱器材質(zhì)修改為鋁，散熱器內(nèi)流體設置為水，同時考慮散熱器與周圍環(huán)境的輻射換熱，設置環(huán)境溫度為45℃;其次對計算模型進行網(wǎng)格劃分.為提高計算精度，對水冷基板散熱器內(nèi)腔做細化網(wǎng)格處理，網(wǎng)格單元數(shù)和節(jié)點數(shù)分別為177 096和186 588.

流體的運動規(guī)律遵循物理學三大守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律.流體動力學基本方程組就是這三大定律對流體運動的數(shù)學描述［8-9］.對此次分析的散熱器模型中，單位時間流出散熱器的冷卻液質(zhì)量等于流入的質(zhì)量，也可以說微元控制體內(nèi)的流體密度不隨時間變化，計算中冷卻液為不可壓縮流體.

3 計算結果及分析

3.1 散熱器初始方案

當冷卻水入口流速為2.7 m/s時，散熱器最高溫度出現(xiàn)在功率二極管處，為89.76℃，已接近報警溫度.散熱器表面溫度分布如圖2所示.

冷卻水腔中間平面的速度矢量分布如圖3所示.由于采用整體水腔設計，造成冷卻水擾動不劇烈，中間位置流動速度較低，冷卻效果不理想.

3.2 散熱器結構優(yōu)化

根據(jù)功率發(fā)熱元件的位置，為了使冷卻液盡可能的流過發(fā)熱元件正下方，保持冷板外形尺寸不變的前提下重新設計水冷板的冷卻液流動通道，如圖4所示.

圖2 散熱器表面溫度分布

圖3 冷卻水腔中間平面速度矢量分布

圖4 冷卻液流動通道結構優(yōu)化方案

當冷卻液入口水流速仍為2.7 m/s時，散熱器最高溫度為84.51℃，低于原方案，符合溫度要求.冷卻液流動通道結構優(yōu)化后散熱器表面溫度分布如圖5所示.

當冷卻液流動通道結構優(yōu)化后，冷卻水腔中間平面的速度矢量分布如圖6所示.可以看出，發(fā)熱功率元件正下方均有冷卻液流過，且擾動較原方案劇烈，冷卻效果相比原方案有所提高.

圖5 冷卻液流動通道結構優(yōu)化后散熱器表面溫度分布

圖6 結構優(yōu)化后水腔中間平面速度矢量分布

3.3 散熱器優(yōu)化結構與初始方案對比分析

當冷卻水進口流速分別設置為2.8、2.9、3.0、3.1 m/s時，散熱器冷卻液流動通道優(yōu)化后的散熱器表面最高溫度、熱阻值與初始方案對比如表2及圖7所示.

表2 不同進口流速下散熱器參數(shù)對比

圖7 散熱器表面最高溫度隨進口流速變化曲線

可見，對于確定的散熱器，表面最高溫度隨著進口速度的增加而降低，近似呈線性變化.在相同進口速度時，優(yōu)化后的散熱器表面最高溫度較初始方案相比下降幅度較大，最高為5.84%，散熱能力有所提高.這是由于優(yōu)化后的方案在發(fā)熱電子元件的正下方設置了冷卻水腔，使冷卻液能充分流過發(fā)熱元件底部，并且通過彎道的設計，使冷卻液擾動劇烈，從而提高了散熱能力.

4 結論

本文利用FLUENT軟件對水冷散熱器進行了三維數(shù)值模擬分析，通過對水冷基板進行仿真計算得到了散熱器的流場和溫度分布，為水冷板散熱器的前期階段對其有指導作用，減少了設計的重復性，提高了工作效率.對原方案進行了結構優(yōu)化設計，改進冷卻液流動通道的尺寸和布局，讓冷卻液流經(jīng)發(fā)熱電子元件正下方的流速增加，有效降低了元件的溫度.

［1］劉煥玲，邵曉東，賈建援.計算機芯片的散熱研究［J］.電子機械工程，2005，21(3):15-17.

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［6］劉衍平，高新霞.大功率電子器件散熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬［J］.電子器件，2007，30(2):608-611.

［7］韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京:北京理工大學出版社，2005.

［8］張兆順，崔桂香.流體力學［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［9］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

Numerical Simulation of Cooling Plate Radiator and Structure Optimization Analysis

GAO Jun-shuai1，CUI Hong-jiang2

(1.Dalian Locomotive and Rolling stock Co.，Ltd，Dalian 116022，China;2.School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

A water-cooled plate radiator was modeled，and the cooling liquid flowing was simulated by CFD software.The obtained velocity and temperature were analyzed，and the optimization of the structure，and completed flowing and heat transfer calculations according to the calculation results.The results show that the maximum surface temperature is reduced，and the maximum percent is 5.84%at the same inlet velocity.

water-cooled plate radiator;heat transfer;numerical simulation;conservation law

A

10.13291/j.cnki.djdxac.2014.03.015

1673-9590(2014)03-0062-04

2013-09-20

高俊帥(1980－)，男，工程師，學士，主要從事機車通風與換熱方面研究

E-mail:gaojunshuai@hotmail.com.