趙亮，吳波，文雯，張豐華

（西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068）

0 引言

機(jī)載電子系統(tǒng)性能不斷提高，高功耗、高熱流密度芯片大量采用，新型機(jī)載電子設(shè)備質(zhì)量、體積不斷減小，傳統(tǒng)散熱方式已無(wú)法滿(mǎn)足散熱需求，矛盾十分突出。超輕多孔金屬材料由于其多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，擾流作用更加明顯，換熱性能更高。但其流阻相比于機(jī)載電子設(shè)備傳統(tǒng)直齒多孔翅片高出數(shù)倍。本文提出超輕多孔金屬材料梯度結(jié)構(gòu)，建立數(shù)值仿真模型，通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算，研究超輕多孔金屬材料梯度結(jié)構(gòu)換熱性能和流阻特性，為超輕多孔金屬材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化及在機(jī)載散熱領(lǐng)域的運(yùn)用奠定基礎(chǔ)。

1 超輕多孔金屬材料換熱

由于傳統(tǒng)翅片散熱材料成本低、安裝方便，已經(jīng)在機(jī)載電子產(chǎn)品散熱中得到了廣泛應(yīng)用。為了強(qiáng)化其傳熱性能，通常采用增加翅片數(shù)量來(lái)擴(kuò)展翅片面積；或者改變肋片形狀和加入擾流元件，以破壞流體邊界層而增強(qiáng)流體擾動(dòng)，從而強(qiáng)化換熱。傳統(tǒng)肋片散熱材料的換熱性能已不能滿(mǎn)足日益提高的機(jī)載電子產(chǎn)品散熱要求。超輕多孔金屬作為一種多孔介質(zhì)材料能夠有效強(qiáng)化傳熱，已經(jīng)在國(guó)外文獻(xiàn)中得到了驗(yàn)證[1]。

美國(guó)利用超輕多孔金屬材料結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱系數(shù)和高比表面積，直接作為強(qiáng)制對(duì)流的傳熱表面，開(kāi)發(fā)出航天器緊湊型換熱器[2]。圖1為NASA設(shè)計(jì)的航天器緊湊型換熱器外形及其內(nèi)部填充的開(kāi)孔多孔鋁。

圖1 內(nèi)部填充多孔金屬鋁的航天器緊湊型換熱器

馬里蘭大學(xué)與三星公司電子中心合作，開(kāi)展了超輕多孔金屬銅的換熱性能研究，分別針對(duì)95%孔隙率10 ppi，95%孔隙率20 ppi，92%孔隙率20 ppi的超輕多孔金屬銅在長(zhǎng)37 mm、寬10 mm、深7 mm的通道內(nèi)進(jìn)行了換熱實(shí)驗(yàn)研究，最終表明超輕多孔金屬具有良好的增強(qiáng)換熱的效果[3]，如圖2所示。

圖2 三星公司超輕多孔金屬銅試驗(yàn)測(cè)試

2 超輕多孔金屬材料梯度結(jié)構(gòu)

超輕多孔金屬材料良好的對(duì)流換熱性能和較差的阻力性能是一對(duì)矛盾，如何既發(fā)揮超輕多孔金屬的換熱性能，又降低其流動(dòng)阻力是超輕多孔金屬材料換熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)。

超輕多孔金屬材料作為換熱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有文獻(xiàn)多為均勻多孔結(jié)構(gòu)，即超輕多孔金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)孔洞分布在宏觀上是均勻分布結(jié)構(gòu)。本文提出一種梯度超輕多孔金屬結(jié)構(gòu)，梯度結(jié)構(gòu)的超輕多孔金屬材料具有非均勻孔隙結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)多孔材料高導(dǎo)熱、低流阻要求，大幅提高機(jī)載電子系統(tǒng)換熱能力。熱流在機(jī)載電子系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)中的傳導(dǎo)及對(duì)流路徑如圖3所示，梯度結(jié)構(gòu)靠近底部熱流的孔密度高，可有效提高導(dǎo)熱能力，使熱流更快地向遠(yuǎn)端傳導(dǎo)，提高換熱效率。在遠(yuǎn)端通過(guò)低孔密度多孔金屬降低流體阻力。達(dá)到既發(fā)揮多孔金屬換熱性能優(yōu)勢(shì)，又避免流阻過(guò)大劣勢(shì)的目的。

圖3 梯度多孔金屬示意

3 超輕多孔金屬材料梯度結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真模型

超輕多孔金屬材料結(jié)構(gòu)孔隙率直接影響多孔金屬的質(zhì)量，目前超輕多孔金屬最高孔隙率為95%，即相同材質(zhì)時(shí)95%孔隙率多孔金屬相比其它空隙率為最輕結(jié)構(gòu)，20 ppi多孔金屬胞徑為2.1 mm，10 ppi多孔金屬的胞徑為4.2 mm，20 ppi與10 ppi的當(dāng)量胞徑尺寸適合機(jī)載電子設(shè)備，故研究95%孔隙率、孔密度為20 ppi和10 ppi組合的梯度多孔金屬。將20 ppi高孔密度的多孔金屬靠近熱流面可以更有效地傳導(dǎo)熱量，熱量可以更快地向遠(yuǎn)端傳導(dǎo)，有利于換熱。將10 ppi的低孔密度多孔金屬布置在熱流遠(yuǎn)端可以增大孔徑，降低流阻。20 ppi的當(dāng)量直徑為2.1 mm，10 ppi的當(dāng)量直徑為4.2 mm，在建立梯度模型時(shí)底部至少有一層完整的20 ppi多孔金屬其最小厚度為2.1 mm，頂部至少有一層完整的10 ppi多孔金屬結(jié)構(gòu)，其厚度為4.2 mm。多孔金屬換熱結(jié)構(gòu)的高度為10 mm，20 ppi多孔金屬的高度變化范圍在21%～58%。分別建立20 ppi多孔金屬21%梯度結(jié)構(gòu)（模型命名為T(mén)D21,下同)、30%梯度結(jié)構(gòu)（TD30）、40%梯度結(jié)構(gòu)（TD40）、50%梯度結(jié)構(gòu)（TD50）、58%梯度結(jié)構(gòu)（TD58），如圖4所示。

圖4 20ppi多孔金屬21%、30%、40%、50%、58%梯度結(jié)構(gòu)

4 超輕多孔金屬材料梯度結(jié)構(gòu)換熱性能仿真

對(duì)上述不同梯度結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行換熱性能數(shù)值仿真分析，20 ppi多孔金屬50%仿真模型如圖5所示。

圖5 20ppi多孔金屬50%梯度結(jié)構(gòu)仿真模型

20 ppi多孔金屬50%梯度多孔金屬溫度場(chǎng)如圖6所示。20 ppi 多孔金屬50%梯度多孔金屬靜壓場(chǎng)如圖7所示。

圖6 50%梯度多孔金屬溫度場(chǎng)

圖7 50%梯度多孔金屬靜壓場(chǎng)

通過(guò)換熱性能仿真得到了不同梯度結(jié)構(gòu)時(shí)底面溫度T隨熱流密度q的變化曲線(xiàn)如圖8所示。隨著熱流密度的升高，多孔金屬底面溫度值逐漸升高。58%和50%梯度結(jié)構(gòu)底面溫度相對(duì)其它梯度結(jié)構(gòu)底面溫度更低。可以看出20 ppi 多孔金屬比例 大 于50%時(shí)，梯度多孔金屬換熱更有優(yōu)勢(shì)。

圖8 梯度多孔金屬底面溫度變化趨勢(shì)

通過(guò)換熱性能仿真得到了不同梯度結(jié)構(gòu)時(shí)壓差ΔP隨熱流密度q的變化曲線(xiàn)如圖9所示。隨著熱流密度的升高，多孔金屬壓差值逐漸升高。隨著20 ppi多孔金屬所占比例的增加，壓差逐漸增加?？梢钥闯?8%和50%梯度結(jié)構(gòu)底面溫度相對(duì)其它梯度結(jié)構(gòu)壓差更高，但大幅低于20 ppi均勻多孔金屬。

圖9 梯度多孔金屬壓差變化趨勢(shì)

填充梯度多孔金屬對(duì)換熱性能和流動(dòng)的影響規(guī)律如圖10和圖11所示。由圖可知，當(dāng)填充梯度多孔金屬時(shí)，與填充單一孔密度多孔金屬類(lèi)似，Nu也隨著Re的增加而增加，阻力系數(shù)f隨著Re的遞增而下降。

圖10 梯度多孔金屬換熱性能

圖11 梯度多孔金屬阻力性能

20 ppi多孔金屬梯度比例從21%到58%變化時(shí)，20 ppi多孔金屬所占比例為58%時(shí)其努塞爾數(shù)最高，換熱性能最優(yōu)。其主要原因在于20 ppi 所占比例的增加，增加了熱量向上傳導(dǎo)的路徑，增大了換熱面積，同時(shí)孔徑更小增強(qiáng)了擾流作用。

20 ppi多孔金屬梯度比例從21%到58%變化時(shí)，20 ppi多孔金屬所占比例為58%時(shí)其阻力系數(shù)f最高，阻力大于其它梯度金屬，但較20 ppi均勻多孔金屬阻力系數(shù)大幅降低。其主要原因在于10 ppi多孔金屬孔徑更大，增加了氣流的通過(guò)截面，流動(dòng)阻力更小，達(dá)到了降低系統(tǒng)阻力的目的。

引用換熱與阻力的綜合性能因子i=(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3來(lái)表征梯度多孔金屬對(duì)流換熱的綜合性能[4]，其中下標(biāo)0代表空氣直接流過(guò)空槽時(shí)的理論值。綜合性能因子i如圖12所示，可以得到以下結(jié)論：1）10 ppi均勻多孔金屬、20 ppi均勻多孔金屬、梯度多孔金屬綜合性能因子呈現(xiàn)“高跟鞋”狀態(tài)。當(dāng)填充梯度多孔金屬時(shí)，與填充單一孔密度多孔金屬類(lèi)似，在279＜Re＜418時(shí)范圍內(nèi)出現(xiàn)綜合性能因子高點(diǎn)，綜合性能最優(yōu)。2）當(dāng)雷諾數(shù)Re＜418時(shí)，10 ppi均勻多孔金屬綜合性能最優(yōu)。3）當(dāng)雷諾數(shù)418＜Re＜942時(shí)，20 ppi均勻多孔金屬綜合性能最優(yōu)。4）當(dāng)雷諾數(shù)Re＞942時(shí)，50%梯度結(jié)構(gòu)多孔金屬綜合性能最優(yōu)。

圖12 梯度多孔金屬綜合性能因子i

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)超輕多孔金屬材料梯度結(jié)構(gòu)換熱性能的數(shù)值仿真研究可以看出，超輕多孔金屬材料梯度結(jié)構(gòu)保留了多孔金屬換熱性能優(yōu)勢(shì)的同時(shí)降低了系統(tǒng)阻力，解決了填充多孔金屬后雖然具有良好的換熱性能但壓降較大的問(wèn)題，更具有優(yōu)勢(shì)，更適應(yīng)替代傳統(tǒng)翅片結(jié)構(gòu)，更有利于機(jī)載電子設(shè)備散熱。通過(guò)合理設(shè)計(jì)多孔金屬梯度結(jié)構(gòu)，能夠在強(qiáng)化換熱的基礎(chǔ)上，有效地降低系統(tǒng)流動(dòng)阻力，從而得到較好的綜合評(píng)價(jià)性能。