肖 晉，王 艷，杜玉格，賈艷玲

(許繼柔性輸電系統(tǒng)公司， 河南 許昌 461000)

基于有限元的閥組件單級(jí)散熱模塊數(shù)值分析*

肖 晉，王 艷，杜玉格，賈艷玲

(許繼柔性輸電系統(tǒng)公司， 河南 許昌 461000)

簡(jiǎn)述了閥組件單級(jí)散熱模塊的外部模型、內(nèi)部水路的物理模型和電子元件的分布。在理論計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，采用有限元的方法進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得到不同流速下的流阻和熱阻，分析得到最佳冷卻流速。借助有限元流體分析軟件，得到了閥組件的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，分析結(jié)果能夠較真實(shí)地反映出散熱模塊的溫度分布梯度、內(nèi)部流場(chǎng)的溫度梯度以及壓力損失梯度。研究結(jié)果不僅為后續(xù)多級(jí)散熱模塊串聯(lián)提供了理論基礎(chǔ)，而且對(duì)散熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

散熱模塊；最佳流速；數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)；流場(chǎng)

引 言

實(shí)際影響換流閥穩(wěn)定運(yùn)行的因素很多，其中散熱是一個(gè)至關(guān)重要的問題，因此散熱器是換流閥的重要組成部件。散熱器的運(yùn)行效率對(duì)整個(gè)換流閥的安全穩(wěn)定長(zhǎng)期運(yùn)行起關(guān)鍵作用。文中提到的散熱器以去離子水為冷卻介質(zhì)，主要用來冷卻晶閘管、發(fā)熱電阻等電子器件，從而保證晶閘管在允許的結(jié)溫范圍內(nèi)運(yùn)行[1]。

在整個(gè)散熱過程中涉及流體力學(xué)和傳熱學(xué)內(nèi)容，散熱主要包括散熱器內(nèi)部流體流動(dòng)的對(duì)流換熱，散熱器外部電子器件熱源與散熱器的熱傳導(dǎo)，以及散熱器對(duì)外的熱輻射[2-3]。散熱器本身的三維結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的散熱方式?jīng)Q定了采用解析法對(duì)流阻和散熱進(jìn)行分析十分困難。本文采用有限元數(shù)值模擬方法，得到散熱器的最佳流速，以及最佳流速下散熱器流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布。從而更好地指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)中散熱器的選型和水流速度的選取，直觀地了解整體的散熱效果，使散熱器能夠高效率運(yùn)行，保證電子元件始終工作在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，使設(shè)備能夠長(zhǎng)周期、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 散熱器及電子元件的物理結(jié)構(gòu)

整個(gè)模型包括散熱器外殼、流體流道和熱源3類。各個(gè)子模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下。

1.1 散熱器外殼和流道模型

水冷散熱器是一個(gè)290 mm × 53 mm × 220 mm的長(zhǎng)方體，材質(zhì)為Al。內(nèi)部的流道空腔設(shè)計(jì)和流道細(xì)水管的布置在一定程度上增大了換熱面積，同時(shí)也保證散熱器的散熱均勻性，盡量避免存在散熱死角。散熱器內(nèi)部的流道和散熱器內(nèi)壁完全接觸，熱量通過散熱器進(jìn)行對(duì)流散熱，熱量再傳遞給冷卻水，完成整個(gè)散熱過程。

1.2 熱源模型

需要散熱的電子元件中晶閘管是主要的發(fā)熱源。為了控制網(wǎng)格數(shù)量，根據(jù)實(shí)際對(duì)晶閘管的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，晶閘管設(shè)置為直徑182.5 mm，34 mm高的一個(gè)圓臺(tái)，材質(zhì)設(shè)定為Cu，晶閘管和散熱器完全接觸，忽略中間存在的接觸熱阻。取能電阻和均壓電阻為60 mm × 44 mm × 5 mm的方形塊狀電阻。棒狀阻尼電阻簡(jiǎn)化成和散熱器的接觸面。各電子元件的發(fā)熱額定功率之和為8 045 W(晶閘管2 500 W/個(gè)，阻尼電阻500 W/個(gè)，塊狀電阻15 W/個(gè))。具體模型和內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 物理模型

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 壓力計(jì)算模型

水在管中流動(dòng)所產(chǎn)生的總壓降滿足：總壓降=局部阻力+沿程阻力[4-5]，即

(1)

式中：pf為沿程阻力；pm為局部阻力；l為管長(zhǎng)，m；d為管徑，m；v為斷面平均速度，m/s；ρ為水的密度，kg/m3；λ為沿程阻力系數(shù)；ζ為局部阻力系數(shù)。

實(shí)際工程中，采用的水流速度滿足雷諾數(shù)(Re)>2 000，屬于湍流區(qū)，根據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)管道的粗糙度和雷諾數(shù)可以通過查表得到沿程阻力系數(shù)，對(duì)于不同管道的局部阻力系數(shù)也可以通過查詢相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)獲得。雖然公式簡(jiǎn)單，各參數(shù)也方便獲取，但實(shí)際工程中水管、接頭眾多，而且布置的形式多樣化，導(dǎo)致計(jì)算的過程繁瑣、復(fù)雜，容易漏算管道，少算接頭損失。

2.2 湍流和換熱模型

由于水是不可壓縮流體，所以計(jì)算中運(yùn)用的方程是三維不可壓縮流體的連續(xù)性方程和N-S動(dòng)量方程及能量方程?？紤]在實(shí)際使用過程中，水的入口速度滿足湍流模型，所以采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε是2個(gè)基本的未知量，與之相對(duì)應(yīng)的傳輸方程為[6]：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(2)

(3)

式中：t為時(shí)間，s；xi為i方向的坐標(biāo)；xj為j方向的坐標(biāo)；ui為時(shí)均速度，m/s；μ為流體動(dòng)力粘度，N·s/m2；μt為湍動(dòng)粘度，N·s/m2；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由福利引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk和σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandt1數(shù)；Sk和Sε是用戶定義的原項(xiàng)，當(dāng)流體不可壓時(shí)，可取為0。

求解三維溫度場(chǎng)的溫度邊界為[7]：

(4)

(5)

(6)

式中：T為物體的溫度，℃；Tf為冷卻水溫度，℃；kx、ky、kz分別為物體在x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；q為熱源密度，W/m3；n為單位法向矢量；λ為物體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；h為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；S1、S2分別為第二類和第三類邊界條件。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型簡(jiǎn)化

為了方便計(jì)算，簡(jiǎn)化模型和相應(yīng)的邊界條件，采用流固耦合的傳熱方法進(jìn)行模擬分析，對(duì)水冷散熱器的溫度場(chǎng)進(jìn)行以下假設(shè)[8]：

1)各電子元件的發(fā)熱量均勻分布。

2)忽略各電子元件和水冷散熱器間的接觸熱阻。

3)散熱器有導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射3種散熱方式，輻射占據(jù)的比例較小，忽略不計(jì)。由于空氣的比熱容較水要小很多，所以計(jì)算過程中忽略散熱器和空氣間的換熱。

4)模型中流體的流動(dòng)屬于定常流動(dòng)，即流場(chǎng)各點(diǎn)的狀態(tài)不隨時(shí)間變化。

5)假設(shè)入口處水的流速均勻分布，即入口平面各點(diǎn)的速度大小和方向相同。

6)假設(shè)出口處水流各種參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定，即出口平面各個(gè)變量的導(dǎo)數(shù)為零，且對(duì)上游流動(dòng)無影響[9]。

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1 最優(yōu)入口流速的選取

設(shè)置模型的邊界條件，溫度為默認(rèn)值，300 K；出口為壓力出口，為了方便得到壓降，設(shè)置壓力為0 Pa；晶閘管、均壓電阻和取能電阻設(shè)為體熱源；為了控制整體網(wǎng)格的數(shù)量，阻尼電阻設(shè)置為面熱源。完成邊界條件、計(jì)算方法和收斂條件的設(shè)置后，進(jìn)行模擬計(jì)算。

維持其他參數(shù)不變，僅改變冷卻水的入口流速，得到不同流速下散熱器的模擬狀態(tài)，模擬結(jié)果如表1所示，具體曲線如圖2所示。其中晶閘管表面最高溫度用T1 max表示，散熱器表面最高溫度用T2 max表示。

表1 模擬結(jié)果

圖2 各監(jiān)測(cè)數(shù)值曲線圖

由于散熱器的散熱性能受散熱器的熱阻和流阻共同影響，所以要選取一個(gè)最優(yōu)入口流速來實(shí)現(xiàn)散熱器的最佳散熱能力。由圖2上圖可以看出，隨著水的流速增加，散熱器的流阻逐漸增加，而散熱器的熱阻則逐漸減小，2條曲線在流速為1.08 L/s時(shí)相交；從圖2下圖也可以看到，散熱器表面最高溫度曲線和晶閘管表面最高溫度曲線的相交點(diǎn)和圖2上圖一致，從而得到最佳的流速為1.08 L/s。

3.2.2 壓力和溫度場(chǎng)分析

采用最佳流速，對(duì)模型進(jìn)行迭代計(jì)算，具體的迭代殘差曲線如圖3所示。

圖3 殘差曲線

從圖3可以看出，經(jīng)過219次迭代后收斂，達(dá)到計(jì)算的要求，停止計(jì)算。具體的壓力分布、溫度場(chǎng)分布如圖4～圖7所示。

圖4 水路壓力分布

圖5 水路溫度場(chǎng)分布

圖6 散熱器溫度場(chǎng)分布

圖7 晶閘管溫度場(chǎng)分布

從圖4可以全面了解流場(chǎng)的壓力分布情況，從入口到出口壓力呈整體逐漸下降趨勢(shì)，總壓差為0.035 MPa。沿來流方向，最大壓力出現(xiàn)在上部水道空腔的后部，這是因?yàn)榫哂幸欢ㄋ俣鹊膩砹?，?duì)水路有一定的沖擊，產(chǎn)生一定的壓力。壓力的損失主要集中在出入口處，每個(gè)小管道的出入口也帶來一定的壓力損失，這主要是由散熱器本身的流道結(jié)構(gòu)決定的。

由圖5、圖6和圖7可以得到整體模型溫度場(chǎng)、散熱器和晶閘管的溫度分布情況，可以看到熱量傳導(dǎo)的趨勢(shì)，熱源溫度在靠近水路的地方最低，沿著水路的方向溫度逐漸變高，呈現(xiàn)波紋狀。

散熱器溫度相對(duì)來說比較均勻，變化不大，只是與阻尼電阻和晶閘管接觸附近有劇烈變化，說明此處的熱流密度最大。此外，晶閘管靠近散熱器的面溫度較低，主要是由熱傳導(dǎo)過程中存在的熱阻造成的。

水路和散熱器的相對(duì)位置決定了處在進(jìn)、出口側(cè)的2個(gè)塊狀電阻比后側(cè)下方的溫度低，阻尼電阻前側(cè)的溫度也比后側(cè)低，這是因?yàn)樗蜕崞鞯膶?duì)流換熱在水流充分的地方更方便帶走熱量，從而形成圖6所示的散熱器整體溫度分布。

4 結(jié)束語

本文利用有限元數(shù)值分析軟件的單級(jí)散熱模塊進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到了不同流速下散熱器的流阻、熱阻、散熱器表面最高溫度和晶閘管表面最高溫度，分析得出最佳冷卻水流速為1.08 L/s。

在最佳流速下，應(yīng)用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)水路壓力梯度、散熱器溫度梯度和水路溫度梯度進(jìn)行分析，掌握了流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)及其形成原因，不僅為后續(xù)多級(jí)散熱模塊串聯(lián)提供了理論基礎(chǔ)，而且對(duì)散熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

進(jìn)行數(shù)值分析不但可以對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，還可以優(yōu)化試驗(yàn)的初始參數(shù)，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步，甚至可以替代部分試驗(yàn)內(nèi)容，從而加速產(chǎn)品的發(fā)展，縮短試驗(yàn)周期，變相降低生產(chǎn)成本。

[1] 包明冬, 馬展, 崔洪江, 等. 電力電子器件IGBT用水冷板式散熱器熱力性能的數(shù)值模擬[J]. 內(nèi)燃機(jī)車, 2012, 5(49): 1-6.

[2] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998.

[3] 張健, 黃晨光. 三維瞬態(tài)方形管流的熱流固耦合數(shù)值模擬[J]. 工程力學(xué), 2010, 6(27): 232-239.

[4] 蔡增基, 龍?zhí)煊? 流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1999: 90-124.

[5] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001.

[6] 支淼川. 電力電子設(shè)備水冷散熱器的數(shù)值模擬[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2006.

[7] 楊強(qiáng)生, 浦保榮. 高等傳熱學(xué)[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2001.

[8] 熊輝, 邵云, 顏驥, 等. 基于Fluent的6英寸晶閘管水冷散熱器設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J]. 大功率變流技術(shù), 2013(4): 22-27.

[9] 李迎, 俞小莉, 陳紅巖, 等. 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)流固耦合穩(wěn)態(tài)傳熱三維數(shù)值仿真[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2007, 3(25): 252-257.

肖 晉(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事電力設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

王 艷(1989-)，女，碩士，主要從事熱設(shè)計(jì)工作。

Numerical Analysis of Valve Components Single-stage Cooling Module Based on Finite Element

XIAO Jin，WANG Yan，DU Yu-ge，JIA Yan-ling

(XJFlexibleTransmissionSystemCorporation,Xuchang461000,China)

This paper presents the external model of single-stage cooling module, the physical model of internal waterways and the distribution of electronic components for the valve components. On the basis of theoretical analysis, numerical simulation is carried out using finite element method. The flow resistance and the heat resistance under different flow velocity are got. After analysis, the best cooling flow velocity is obtained. Using finite element fluid analysis software, the temperature field and the flow field of the valve components are obtained. Analysis results can truly reflect the temperature gradient of cooling module, the temperature gradient of internal flow field and the gradient of pressure loss. The study results not only provide the theoretical foundation for subsequent multi-step cooling module series, but also provide good guidance for the design and optimization of the radiator.

cooling module; best flow velocity; numerical simulation; temperature field; flow field

2015-03-31

TK124

A

1008-5300(2015)03-0016-04