微小通道冷板截?cái)喾绞窖芯?/h1>
2019-05-23 07:08:04范鵬杰
艦船電子對抗 2019年2期
范鵬杰，劉 軍
(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)
0 引 言
隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子元器件產(chǎn)生的高熱耗、高熱流密度散熱問題日益嚴(yán)重。研究表明：CPU工作溫度超過額定溫度10 ℃時(shí)，其可靠性將降低50%[1]；高熱流密度會使電子元器件芯片結(jié)溫顯著升高，并在元器件安裝表面形成“熱點(diǎn)”，導(dǎo)致電性能下降和可靠性降低，而由熱點(diǎn)產(chǎn)生的熱應(yīng)力更可能直接損壞元器件結(jié)構(gòu)[2]。故需采用合適的冷卻技術(shù)，對電子元器件的溫升進(jìn)行控制，保證其正?？煽抗ぷ鳌?/p>
Tuckerman和Pease最早于1981年提出了微小通道的概念，并從理論上證明了微小通道單相水冷的散熱能力可達(dá)1 000 W/cm2以上[3]。微小通道冷板利用微小通道的微尺度效應(yīng)，結(jié)合液體介質(zhì)換熱系數(shù)高、比熱容大的特點(diǎn)，具備表面溫升合理、極限散熱密度高、便于電子組件安裝、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于高熱耗、高熱流密度電子組件散熱領(lǐng)域。張平等[4]利用高速銑和釬焊方法，加工出水力直徑為0.727～1.333 mm系列尺寸的微小通道冷板，得到了微小通道冷板的基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。張根烜等[5]對不同肋片參數(shù)的微小通道冷板換熱性能進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)微小通道冷板極限散熱能力隨著通道水力直徑的下降而提高，典型微小通道冷板散熱能力達(dá)到常規(guī)冷板的4倍以上，并成功用于冷卻某型數(shù)字陣列模塊。目前，針對微小通道冷板換熱性能的研究主要集中在流道截面、串并聯(lián)形式及流動特性等方面，而關(guān)于截?cái)鄬ξ⑿⊥ǖ览浒鍝Q熱性能影響的研究報(bào)道較少。
由于通道內(nèi)的流體在入口段比充分發(fā)展段具有更高的換熱系數(shù)，工程技術(shù)上常常通過利用入口段換熱效果好這一特點(diǎn)來強(qiáng)化傳熱[6]。截?cái)嗫梢云茐耐ǖ纼?nèi)流體的充分發(fā)展流動，使其再次處于入口段流動；此外，液體是熱的不良導(dǎo)體，截?cái)嗫梢栽鰪?qiáng)擾動和混合作用，有效實(shí)現(xiàn)通道的強(qiáng)化傳熱?；诖?，本文在國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，通過仿真模擬及分析，開展不同截?cái)喾绞綄ξ⑿⊥ǖ览浒鍝Q熱性能影響規(guī)律的研究，以期為微小通道冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
1 微小通道冷板概述
微小通道冷板以內(nèi)嵌水冷肋片為主要換熱結(jié)構(gòu)，通過流動的邊界層效應(yīng)和微尺度效應(yīng)，大大提高液體與冷板間的對流換熱系數(shù)和冷板單位體積的換熱面積，有效突破常規(guī)通道冷板的極限散熱瓶頸，為增強(qiáng)高熱耗、高熱流密度電子元器件的散熱提供更有力的手段。微小通道冷板具有對流換熱系數(shù)大、整體熱阻低、極限散熱能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但同樣存在流動阻力大、加工成型難度高的問題。在對微小通道冷板進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，必須對其換熱能力、流動阻力以及加工成型等方面進(jìn)行綜合考量，以保證冷板的實(shí)際換熱性能和結(jié)構(gòu)可靠性。
2 冷板換熱性能分析
計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是流體力學(xué)領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，基于有限體積法(FVM)開發(fā)，已經(jīng)在許多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。FloEFD以CFD為開發(fā)基礎(chǔ)，能自動識別流動區(qū)域的流體流態(tài)，具有強(qiáng)大的流體流動與傳熱計(jì)算能力，可為電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化提供有效的仿真數(shù)據(jù)[7]。本文借助FloEFD軟件，針對不同截?cái)喾绞较碌奈⑿⊥ǖ览浒鍝Q熱性能進(jìn)行仿真計(jì)算及分析。
2.1 計(jì)算模型建立
本文以8通道T/R組件的散熱冷板為研究對象。該T/R組件有8個(gè)橫向排列的發(fā)熱點(diǎn)，間隔為3 mm，每個(gè)發(fā)熱點(diǎn)熱耗為60 W，與冷板安裝表面接觸尺寸為8 mm×4 mm，熱流密度達(dá)187.5 W/cm2；冷板材料為鋁6063(導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/(m?K))，外形尺寸為65 mm×40 mm×5 mm。
考慮到冷板的加工成型難度，設(shè)置微小通道冷板肋片厚度為1 mm，肋片長度為20 mm；流道高度為3 mm，寬度為0.6 mm，則微小通道水力直徑為1 mm。
根據(jù)截?cái)喾绞降牟煌疚难芯康慕財(cái)喟ǎ航財(cái)嘈问?、截?cái)鄬挾燃敖財(cái)嚅g距，如圖1所示。其中，截?cái)嘈问竭x取矩形和圓弧形；截?cái)鄬挾仍O(shè)置為0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm及1.4 mm；考慮到冷板流體進(jìn)出口要求可互換，設(shè)置截?cái)嚅g距關(guān)于熱源中心線對稱，分為：2行截?cái)啵g距分別為3 mm、4 mm；3行截?cái)?，間距分別為3 mm、4 mm；4行截?cái)?，間距為3 mm。
仿真工況參考典型電子設(shè)備散熱要求進(jìn)行設(shè)置：環(huán)境溫度為50 ℃，冷卻介質(zhì)為65號航空冷卻液，冷卻液供液溫度為40 ℃。通過調(diào)整截?cái)喾绞?，以冷板表面最高溫度為主要?yōu)化目標(biāo)，對微小通道冷板不同截?cái)喾绞较碌膿Q熱性能進(jìn)行仿真分析。
2.2 截?cái)嘈问綄Q熱性能的影響
選取矩形、圓弧形2種截?cái)嘈问?，截?cái)鄬挾葹?.6 mm，1行截?cái)?無截?cái)嚅g距)，進(jìn)行熱流耦合仿真，如圖2所示，為2種截?cái)嘈问较碌睦浒辶黧w域。為更好地比較截?cái)嘈问綄浒鍝Q熱性能的影響，取無截?cái)辔⑿⊥ǖ览浒遄鰧φ辗抡?。冷板換熱性能會隨著冷卻液供液流量的增大而提高，本節(jié)選取供液流量分別為3 L/min、4 L/min、5 L/min、6 L/min及7 L/min，研究上述3種微小通道冷板表面最高溫度、對流換熱系數(shù)及冷卻液流阻的變化。
圖2 矩形、圓弧形截?cái)鄷r(shí)冷板流體域
微小通道冷板的對流換熱系數(shù)h計(jì)算公式如下：
(1)
Q=cpρqv(tf2-tf1)
(2)
式中：Q為冷板換熱量，考慮到環(huán)境和冷板之間有少量熱交換，本文將冷卻液帶走的熱量作為冷板換熱量；A為與冷卻液接觸的總的流道換熱面積；tw為冷板殼體均溫；tf為流體域冷卻液均溫；cp為冷卻液均溫下的比熱；ρ為冷卻液均溫下的密度；qv為冷卻液供液流量；tf1為冷卻液供液溫度；tf2為冷卻液回液溫度。
如圖3所示，分別為2種截?cái)嘈问郊盁o截?cái)鄷r(shí)微小通道冷板表面最高溫度、對流換熱系數(shù)和流阻隨供液量的變化。
圖3 不同截?cái)嘈问较聯(lián)Q熱性能隨冷卻液供液量的變化曲線
由圖3(a)可知，無截?cái)?、矩形截?cái)嗉皥A弧形截?cái)鄷r(shí)，冷板表面最高溫度均隨著冷卻液供液量的增加而降低；矩形截?cái)嗟慕禍匦Ч?，相比無截?cái)鄷r(shí)，表面最高溫度降低可達(dá)8.0%。由圖3(b)可知，隨著供液量的增加，微小通道冷板對流換熱系數(shù)幾乎呈線性增大；矩形截?cái)嗟膶α鲹Q熱系數(shù)更高，相比無截?cái)鄷r(shí)，對流換熱系數(shù)提高可達(dá)42.4%。由圖3(c)可知，隨著供液量的增加，冷板冷卻液流阻增大速度變快；矩形截?cái)嗟牧髯韬蛨A弧形截?cái)嘞嗖畈淮?，相比無截?cái)鄷r(shí)，增大了8.9%。從以上分析可知，截?cái)嗫娠@著提高微小通道冷板的換熱性能，且冷卻液流阻在一定流量范圍內(nèi)相對升高不多；在截?cái)鄬挾葹?.6 mm，1行截?cái)鄷r(shí)，矩形截?cái)嘞鄬A弧形截?cái)嗑哂懈玫膹?qiáng)化傳熱效果。
2.3 截?cái)鄬挾葘Q熱性能的影響
本節(jié)選取供液量為5 L/min，1行截?cái)?，設(shè)置矩形、圓弧形截?cái)鄬挾确謩e為0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm及1.4 mm，研究截?cái)鄬挾葘ξ⑿⊥ǖ览浒鍝Q熱性能的影響，仿真結(jié)果如圖4所示。
圖4 換熱性能隨截?cái)鄬挾鹊淖兓€
由圖4(a)、(b)可知，隨著截?cái)鄬挾鹊脑黾?，矩形及圓弧形2種截?cái)嘈问较碌睦浒灞砻孀罡邷囟取α鲹Q熱系數(shù)略有波動，但整體處于升高狀態(tài)；矩形截?cái)嘣诮財(cái)鄬挾葹?.6 mm時(shí)，具有更低的冷板表面最高溫度和更高的對流換熱系數(shù)；這是因?yàn)榻財(cái)鄬挾炔煌?，對流體擾動、混合作用的強(qiáng)弱不同，且截?cái)鄬挾鹊脑黾訒?dǎo)致流道換熱面積A的減小，2種因素的共同作用使得冷板表面最高溫度、對流換熱系數(shù)產(chǎn)生波動且在一定截?cái)鄬挾确秶鷥?nèi)整體升高。由圖4(c)可知，冷卻液流阻基本不受截?cái)鄬挾鹊挠绊?，矩形截?cái)鄷r(shí)，截?cái)鄬挾葹?.2 mm時(shí)比0.4 mm提高了3.7%。從以上分析可知，不同截?cái)嘈问綄?yīng)的最佳截?cái)鄬挾炔煌?，從冷板表面最高溫度考量，矩形截?cái)?、截?cái)鄬挾?.6 mm可作為本文研究對象優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考。
2.4 截?cái)嚅g距對換熱性能的影響
本節(jié)在2.2節(jié)及2.3節(jié)仿真分析的基礎(chǔ)上，選取矩形截?cái)唷⒔財(cái)鄬挾?.6 mm，設(shè)置截?cái)嚅g距分別為1行截?cái)唷o截?cái)嚅g距(1行×0 mm)，2行截?cái)?、間距為3 mm(2行×3 mm)，2行截?cái)唷㈤g距為4 mm(2行×4 mm)，3行截?cái)?、間距為3 mm(3行×3 mm)，3行截?cái)唷㈤g距為4 mm(3行×4 mm)及4行截?cái)?、間距為3 mm(4行×3 mm)；研究供液量分別為3 L/min、4 L/min、5 L/min、6 L/min及7 L/min時(shí)，截?cái)嚅g距對微小通道冷板換熱性能的影響，仿真結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同截?cái)嚅g距下?lián)Q熱性能隨冷卻液供液量的變化曲線
由圖5(a)可知，不同截?cái)嚅g距下，冷板表面最高溫度均隨著冷卻液供液量的增加而降低；行數(shù)相同時(shí)，小間距具有更低的冷板表面最高溫度，這是因?yàn)樾￠g距時(shí)，截?cái)喔泻涂拷鼰嵩粗行木€，可有效降低表面最高溫度；4行×3 mm因?yàn)橛凶疃嗟慕財(cái)喽哂凶畹偷睦浒灞砻孀罡邷囟?，相?行×0 mm，表面最高溫度降低達(dá)6.8%。由圖5(b)可知，對流換熱系數(shù)隨著冷卻液供液量的增加而升高；行數(shù)相同時(shí)，大間距具有更高的對流換熱系數(shù)，這是因?yàn)榇箝g距時(shí)冷板殼體具有更低的均溫，而對流換熱系數(shù)和冷板殼體均溫負(fù)相關(guān)；4行×3 mm相比1行×0 mm，對流換熱系數(shù)提高達(dá)58.5%。由圖5(c)可知，隨著供液量的增加，冷板冷卻液流阻增大速度變快；行數(shù)相同時(shí)，流阻基本相同，受間距影響較??；4行×3 mm相比1行×0 mm，流阻提高了23.6%。從以上分析可知，在流阻滿足要求的情況下，4行×3 mm的截?cái)嚅g距具有更佳的強(qiáng)化傳熱效果。
3 結(jié)束語
本文針對不同截?cái)喾绞?，借助FloEFD軟件進(jìn)行熱流耦合仿真計(jì)算及分析，研究了截?cái)鄬ξ⑿⊥ǖ览浒鍝Q熱性能的影響規(guī)律，可為微小通道冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)：
(1) 截?cái)嗫捎行岣呶⑿⊥ǖ览浒宓膿Q熱性能，且相比無截?cái)嗟奈⑿⊥ǖ览浒?，在一定流量范圍?nèi)截?cái)嗖粫沽髯栌休^大升高；
(2) 矩形截?cái)嘞鄬A弧形截?cái)嗑哂懈玫膹?qiáng)化傳熱效果，且加工成型難度低；
(3) 不同截?cái)嘈问綄?yīng)的最佳截?cái)鄬挾炔煌?，而合理的截?cái)嚅g距可使截?cái)喔泻涂拷鼰嵩粗行模瑥亩行У乜刂评浒灞砻娴臏厣?/p>
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隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子元器件產(chǎn)生的高熱耗、高熱流密度散熱問題日益嚴(yán)重。研究表明：CPU工作溫度超過額定溫度10 ℃時(shí)，其可靠性將降低50%[1]；高熱流密度會使電子元器件芯片結(jié)溫顯著升高，并在元器件安裝表面形成“熱點(diǎn)”，導(dǎo)致電性能下降和可靠性降低，而由熱點(diǎn)產(chǎn)生的熱應(yīng)力更可能直接損壞元器件結(jié)構(gòu)[2]。故需采用合適的冷卻技術(shù)，對電子元器件的溫升進(jìn)行控制，保證其正?？煽抗ぷ鳌?/p>
Tuckerman和Pease最早于1981年提出了微小通道的概念，并從理論上證明了微小通道單相水冷的散熱能力可達(dá)1 000 W/cm2以上[3]。微小通道冷板利用微小通道的微尺度效應(yīng)，結(jié)合液體介質(zhì)換熱系數(shù)高、比熱容大的特點(diǎn)，具備表面溫升合理、極限散熱密度高、便于電子組件安裝、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于高熱耗、高熱流密度電子組件散熱領(lǐng)域。張平等[4]利用高速銑和釬焊方法，加工出水力直徑為0.727～1.333 mm系列尺寸的微小通道冷板，得到了微小通道冷板的基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。張根烜等[5]對不同肋片參數(shù)的微小通道冷板換熱性能進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)微小通道冷板極限散熱能力隨著通道水力直徑的下降而提高，典型微小通道冷板散熱能力達(dá)到常規(guī)冷板的4倍以上，并成功用于冷卻某型數(shù)字陣列模塊。目前，針對微小通道冷板換熱性能的研究主要集中在流道截面、串并聯(lián)形式及流動特性等方面，而關(guān)于截?cái)鄬ξ⑿⊥ǖ览浒鍝Q熱性能影響的研究報(bào)道較少。
由于通道內(nèi)的流體在入口段比充分發(fā)展段具有更高的換熱系數(shù)，工程技術(shù)上常常通過利用入口段換熱效果好這一特點(diǎn)來強(qiáng)化傳熱[6]。截?cái)嗫梢云茐耐ǖ纼?nèi)流體的充分發(fā)展流動，使其再次處于入口段流動；此外，液體是熱的不良導(dǎo)體，截?cái)嗫梢栽鰪?qiáng)擾動和混合作用，有效實(shí)現(xiàn)通道的強(qiáng)化傳熱?；诖?，本文在國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，通過仿真模擬及分析，開展不同截?cái)喾绞綄ξ⑿⊥ǖ览浒鍝Q熱性能影響規(guī)律的研究，以期為微小通道冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
1 微小通道冷板概述
微小通道冷板以內(nèi)嵌水冷肋片為主要換熱結(jié)構(gòu)，通過流動的邊界層效應(yīng)和微尺度效應(yīng)，大大提高液體與冷板間的對流換熱系數(shù)和冷板單位體積的換熱面積，有效突破常規(guī)通道冷板的極限散熱瓶頸，為增強(qiáng)高熱耗、高熱流密度電子元器件的散熱提供更有力的手段。微小通道冷板具有對流換熱系數(shù)大、整體熱阻低、極限散熱能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但同樣存在流動阻力大、加工成型難度高的問題。在對微小通道冷板進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，必須對其換熱能力、流動阻力以及加工成型等方面進(jìn)行綜合考量，以保證冷板的實(shí)際換熱性能和結(jié)構(gòu)可靠性。
2 冷板換熱性能分析
計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是流體力學(xué)領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，基于有限體積法(FVM)開發(fā)，已經(jīng)在許多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。FloEFD以CFD為開發(fā)基礎(chǔ)，能自動識別流動區(qū)域的流體流態(tài)，具有強(qiáng)大的流體流動與傳熱計(jì)算能力，可為電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化提供有效的仿真數(shù)據(jù)[7]。本文借助FloEFD軟件，針對不同截?cái)喾绞较碌奈⑿⊥ǖ览浒鍝Q熱性能進(jìn)行仿真計(jì)算及分析。
2.1 計(jì)算模型建立
本文以8通道T/R組件的散熱冷板為研究對象。該T/R組件有8個(gè)橫向排列的發(fā)熱點(diǎn)，間隔為3 mm，每個(gè)發(fā)熱點(diǎn)熱耗為60 W，與冷板安裝表面接觸尺寸為8 mm×4 mm，熱流密度達(dá)187.5 W/cm2；冷板材料為鋁6063(導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/(m?K))，外形尺寸為65 mm×40 mm×5 mm。
考慮到冷板的加工成型難度，設(shè)置微小通道冷板肋片厚度為1 mm，肋片長度為20 mm；流道高度為3 mm，寬度為0.6 mm，則微小通道水力直徑為1 mm。
根據(jù)截?cái)喾绞降牟煌疚难芯康慕財(cái)喟ǎ航財(cái)嘈问?、截?cái)鄬挾燃敖財(cái)嚅g距，如圖1所示。其中，截?cái)嘈问竭x取矩形和圓弧形；截?cái)鄬挾仍O(shè)置為0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm及1.4 mm；考慮到冷板流體進(jìn)出口要求可互換，設(shè)置截?cái)嚅g距關(guān)于熱源中心線對稱，分為：2行截?cái)啵g距分別為3 mm、4 mm；3行截?cái)?，間距分別為3 mm、4 mm；4行截?cái)?，間距為3 mm。
仿真工況參考典型電子設(shè)備散熱要求進(jìn)行設(shè)置：環(huán)境溫度為50 ℃，冷卻介質(zhì)為65號航空冷卻液，冷卻液供液溫度為40 ℃。通過調(diào)整截?cái)喾绞?，以冷板表面最高溫度為主要?yōu)化目標(biāo)，對微小通道冷板不同截?cái)喾绞较碌膿Q熱性能進(jìn)行仿真分析。
2.2 截?cái)嘈问綄Q熱性能的影響
選取矩形、圓弧形2種截?cái)嘈问?，截?cái)鄬挾葹?.6 mm，1行截?cái)?無截?cái)嚅g距)，進(jìn)行熱流耦合仿真，如圖2所示，為2種截?cái)嘈问较碌睦浒辶黧w域。為更好地比較截?cái)嘈问綄浒鍝Q熱性能的影響，取無截?cái)辔⑿⊥ǖ览浒遄鰧φ辗抡?。冷板換熱性能會隨著冷卻液供液流量的增大而提高，本節(jié)選取供液流量分別為3 L/min、4 L/min、5 L/min、6 L/min及7 L/min，研究上述3種微小通道冷板表面最高溫度、對流換熱系數(shù)及冷卻液流阻的變化。
圖2 矩形、圓弧形截?cái)鄷r(shí)冷板流體域
微小通道冷板的對流換熱系數(shù)h計(jì)算公式如下：
(1)
Q=cpρqv(tf2-tf1)
(2)
式中：Q為冷板換熱量，考慮到環(huán)境和冷板之間有少量熱交換，本文將冷卻液帶走的熱量作為冷板換熱量；A為與冷卻液接觸的總的流道換熱面積；tw為冷板殼體均溫；tf為流體域冷卻液均溫；cp為冷卻液均溫下的比熱；ρ為冷卻液均溫下的密度；qv為冷卻液供液流量；tf1為冷卻液供液溫度；tf2為冷卻液回液溫度。
如圖3所示，分別為2種截?cái)嘈问郊盁o截?cái)鄷r(shí)微小通道冷板表面最高溫度、對流換熱系數(shù)和流阻隨供液量的變化。
圖3 不同截?cái)嘈问较聯(lián)Q熱性能隨冷卻液供液量的變化曲線
由圖3(a)可知，無截?cái)?、矩形截?cái)嗉皥A弧形截?cái)鄷r(shí)，冷板表面最高溫度均隨著冷卻液供液量的增加而降低；矩形截?cái)嗟慕禍匦Ч?，相比無截?cái)鄷r(shí)，表面最高溫度降低可達(dá)8.0%。由圖3(b)可知，隨著供液量的增加，微小通道冷板對流換熱系數(shù)幾乎呈線性增大；矩形截?cái)嗟膶α鲹Q熱系數(shù)更高，相比無截?cái)鄷r(shí)，對流換熱系數(shù)提高可達(dá)42.4%。由圖3(c)可知，隨著供液量的增加，冷板冷卻液流阻增大速度變快；矩形截?cái)嗟牧髯韬蛨A弧形截?cái)嘞嗖畈淮?，相比無截?cái)鄷r(shí)，增大了8.9%。從以上分析可知，截?cái)嗫娠@著提高微小通道冷板的換熱性能，且冷卻液流阻在一定流量范圍內(nèi)相對升高不多；在截?cái)鄬挾葹?.6 mm，1行截?cái)鄷r(shí)，矩形截?cái)嘞鄬A弧形截?cái)嗑哂懈玫膹?qiáng)化傳熱效果。
2.3 截?cái)鄬挾葘Q熱性能的影響
本節(jié)選取供液量為5 L/min，1行截?cái)?，設(shè)置矩形、圓弧形截?cái)鄬挾确謩e為0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm及1.4 mm，研究截?cái)鄬挾葘ξ⑿⊥ǖ览浒鍝Q熱性能的影響，仿真結(jié)果如圖4所示。
圖4 換熱性能隨截?cái)鄬挾鹊淖兓€
由圖4(a)、(b)可知，隨著截?cái)鄬挾鹊脑黾?，矩形及圓弧形2種截?cái)嘈问较碌睦浒灞砻孀罡邷囟取α鲹Q熱系數(shù)略有波動，但整體處于升高狀態(tài)；矩形截?cái)嘣诮財(cái)鄬挾葹?.6 mm時(shí)，具有更低的冷板表面最高溫度和更高的對流換熱系數(shù)；這是因?yàn)榻財(cái)鄬挾炔煌?，對流體擾動、混合作用的強(qiáng)弱不同，且截?cái)鄬挾鹊脑黾訒?dǎo)致流道換熱面積A的減小，2種因素的共同作用使得冷板表面最高溫度、對流換熱系數(shù)產(chǎn)生波動且在一定截?cái)鄬挾确秶鷥?nèi)整體升高。由圖4(c)可知，冷卻液流阻基本不受截?cái)鄬挾鹊挠绊?，矩形截?cái)鄷r(shí)，截?cái)鄬挾葹?.2 mm時(shí)比0.4 mm提高了3.7%。從以上分析可知，不同截?cái)嘈问綄?yīng)的最佳截?cái)鄬挾炔煌?，從冷板表面最高溫度考量，矩形截?cái)?、截?cái)鄬挾?.6 mm可作為本文研究對象優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考。
2.4 截?cái)嚅g距對換熱性能的影響
本節(jié)在2.2節(jié)及2.3節(jié)仿真分析的基礎(chǔ)上，選取矩形截?cái)唷⒔財(cái)鄬挾?.6 mm，設(shè)置截?cái)嚅g距分別為1行截?cái)唷o截?cái)嚅g距(1行×0 mm)，2行截?cái)?、間距為3 mm(2行×3 mm)，2行截?cái)唷㈤g距為4 mm(2行×4 mm)，3行截?cái)?、間距為3 mm(3行×3 mm)，3行截?cái)唷㈤g距為4 mm(3行×4 mm)及4行截?cái)?、間距為3 mm(4行×3 mm)；研究供液量分別為3 L/min、4 L/min、5 L/min、6 L/min及7 L/min時(shí)，截?cái)嚅g距對微小通道冷板換熱性能的影響，仿真結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同截?cái)嚅g距下?lián)Q熱性能隨冷卻液供液量的變化曲線
由圖5(a)可知，不同截?cái)嚅g距下，冷板表面最高溫度均隨著冷卻液供液量的增加而降低；行數(shù)相同時(shí)，小間距具有更低的冷板表面最高溫度，這是因?yàn)樾￠g距時(shí)，截?cái)喔泻涂拷鼰嵩粗行木€，可有效降低表面最高溫度；4行×3 mm因?yàn)橛凶疃嗟慕財(cái)喽哂凶畹偷睦浒灞砻孀罡邷囟?，相?行×0 mm，表面最高溫度降低達(dá)6.8%。由圖5(b)可知，對流換熱系數(shù)隨著冷卻液供液量的增加而升高；行數(shù)相同時(shí)，大間距具有更高的對流換熱系數(shù)，這是因?yàn)榇箝g距時(shí)冷板殼體具有更低的均溫，而對流換熱系數(shù)和冷板殼體均溫負(fù)相關(guān)；4行×3 mm相比1行×0 mm，對流換熱系數(shù)提高達(dá)58.5%。由圖5(c)可知，隨著供液量的增加，冷板冷卻液流阻增大速度變快；行數(shù)相同時(shí)，流阻基本相同，受間距影響較??；4行×3 mm相比1行×0 mm，流阻提高了23.6%。從以上分析可知，在流阻滿足要求的情況下，4行×3 mm的截?cái)嚅g距具有更佳的強(qiáng)化傳熱效果。
3 結(jié)束語
本文針對不同截?cái)喾绞?，借助FloEFD軟件進(jìn)行熱流耦合仿真計(jì)算及分析，研究了截?cái)鄬ξ⑿⊥ǖ览浒鍝Q熱性能的影響規(guī)律，可為微小通道冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)：
(1) 截?cái)嗫捎行岣呶⑿⊥ǖ览浒宓膿Q熱性能，且相比無截?cái)嗟奈⑿⊥ǖ览浒?，在一定流量范圍?nèi)截?cái)嗖粫沽髯栌休^大升高；
(2) 矩形截?cái)嘞鄬A弧形截?cái)嗑哂懈玫膹?qiáng)化傳熱效果，且加工成型難度低；
(3) 不同截?cái)嘈问綄?yīng)的最佳截?cái)鄬挾炔煌?，而合理的截?cái)嚅g距可使截?cái)喔泻涂拷鼰嵩粗行模瑥亩行У乜刂评浒灞砻娴臏厣?/p>
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