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        液冷散熱器流道截面形狀研究?

        2023-10-20 03:52:16徐鵬卓韓鐘劍
        艦船電子工程 2023年7期
        關(guān)鍵詞:性能參數(shù)液冷摩擦系數(shù)

        徐鵬卓 韓鐘劍 宋 丹

        (1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068)(2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所高端電子裝備工業(yè)設(shè)計(jì)中心 西安 710068)

        1 引言

        隨著軍用電子裝備的迅速發(fā)展,大熱耗、高熱流密度、輕量化要求成為其熱控設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素[1]。有研究指出,對于單個(gè)電子器件,溫度每升高10℃,其可靠性就降低50%[2]。溫度過高不僅會(huì)損傷電路的連接器件、還會(huì)增加電子器件的電阻值并會(huì)增加一定的熱應(yīng)力損傷。電子器件本身的溫度升高時(shí),將會(huì)大大降低器件以及電子設(shè)備系統(tǒng)的使用壽命。

        常規(guī)風(fēng)冷散熱[3~5]的最大散熱能力有限,逐漸不能滿足日益升高的散熱需求。液冷散熱[6~9]通常使用的冷卻工質(zhì)具有高比熱容和高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)。液冷散熱是通過冷卻工質(zhì)[10]流過流道,與熱源進(jìn)行充分換熱,將熱量帶走的散熱方式,相比于風(fēng)冷散熱,液冷散熱具有散熱能力強(qiáng),溫度均勻性好、不產(chǎn)生噪音等優(yōu)點(diǎn)。

        同時(shí),現(xiàn)有液冷散熱器的流道截面形狀多為容易加工的矩形截面[11~12]和圓形截面[13~14],散熱能力可進(jìn)一步提高。本文研究了多種流道截面形狀對于液冷散熱器散熱能力的影響,對實(shí)際設(shè)計(jì)中液冷散熱器截面形狀的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

        2 物理模型及驗(yàn)證

        2.1 物理模型和邊界條件

        為了便于分析,本文的研究對象為直流道液冷散熱器。散熱器的長度是80mm,寬度是74mm,高度是8mm。在散熱器上方中心處布置熱源,熱源為30mm×30mm正方形區(qū)域,功率為100W。散熱器沿著長度為80mm的方向上,分布著相互平行的10條流道,每條流道的截面形狀都相同,且不同截面的面積相同,都為10mm2。

        散熱器流道的上下邊界處距離散熱器上下表面的距離都相等,例如:3#散熱器的通道截面為等腰三角形,截面頂角到上表面的距離為1.5mm,截面底邊到下表面的距離也為1.5mm。本文中不同散熱器之間僅有流道截面形狀不同的區(qū)別,涉及到的散熱器流道截面尺寸信息如表1所示。

        表1 散熱器流道截面的尺寸

        本文中的4 種散熱器具有不同的流道截面形狀,如圖1 所示,并且為方便敘述,流道從左至右序號分別記為為1到10。

        圖1 不同散熱器通道截面形狀

        以3#散熱器為例,如圖2所示。固體域?yàn)槟J(rèn)設(shè)置、流體域設(shè)置為65#冷卻液,環(huán)境溫度為20℃。入口設(shè)置為速度入口,速度為0.2m/s,出口設(shè)置為壓力出口,壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

        圖2 3#散熱器三維模型

        2.2 控制方程

        冷板三維模型的數(shù)值仿真在ICEPAK 軟件上進(jìn)行。使用該軟件得出散熱器在穩(wěn)態(tài)條件下的傳熱性能,假設(shè)如下:1)穩(wěn)態(tài)過程;2)不可壓縮流體;3)層流流動(dòng);4)流體物性參數(shù)恒定;5)熱源與散熱器之間的熱阻忽略不計(jì);6)散熱器除出入口外的其他表面為絕熱??刂品匠倘缦拢?/p>

        連續(xù)性方程:

        動(dòng)量方程:

        能量方程:

        2.3 模型驗(yàn)證

        本文中的多個(gè)散熱器外形尺寸完全相同,只有流道截面形狀不同,在進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證時(shí),以0#散熱器為例進(jìn)行驗(yàn)證。表2 顯示的是0#散熱器在網(wǎng)格加密過程中,出入口的壓差ΔP以及相對于網(wǎng)格4的差值。

        表2 0#散熱器的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

        在0#散熱器獲得網(wǎng)格無關(guān)解后,得到此時(shí)的網(wǎng)格參數(shù)信息,對于其他的散熱器也都設(shè)置為相同的網(wǎng)格參數(shù)信息,也能保證其他散熱器的仿真結(jié)果獲得網(wǎng)格無關(guān)解。根據(jù)表2 的信息,選擇網(wǎng)格3 對應(yīng)的網(wǎng)格參數(shù)信息。對于其他散熱器,網(wǎng)格數(shù)量為40萬左右時(shí),也都認(rèn)為達(dá)到了網(wǎng)格無關(guān)解。

        3 參數(shù)說明

        本文中,換熱系數(shù)定義如下:

        其中,q為熱流密度,Tw,ave為散熱器表面平均溫度,Tf,ave為流體平均溫度。

        本文中,水力直徑定義如下:

        其中,S是單個(gè)流道截面面積,C是單個(gè)流道截面周長。

        本文中,摩擦系數(shù)定義如下:

        其中,ΔP為出入口的壓差,L為流道的長度,ρ為流體密度,Uave為入口平均流速。

        同時(shí),本文定義綜合性能參數(shù):

        綜合性能參數(shù)同時(shí)考慮了散熱器的換熱能力和壓降,該參數(shù)取決于h和h0的比值、f和f0的比值。其中h0和f0是0#散熱器對應(yīng)的換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)。

        4 數(shù)值分析及討論

        4.1 中心橫向截面溫度分布

        散熱器中心處的溫度較高,通過分析不同散熱器中心橫向溫度及其分布,能夠得到不同流道截面形狀對于散熱器溫度分布的影響。以3#散熱器為例,該截面的位置如圖3所示。

        圖3 中心橫向截面示意圖

        根據(jù)本文中4 種散熱器的仿真結(jié)果,中心橫向截面處的溫度分布如圖4所示。

        圖4 中心橫向截面溫度云圖

        根據(jù)溫度云圖,散熱器中心橫向截面處,中間溫度高,兩邊溫度低,不同散熱器的中心截面溫度極值如表3所示。

        表3 散熱器中心橫向截面溫度極值

        由表3 可以得到,0#、1#和2#散熱器中心截面處的溫度極大值相差不大,0#散熱器中心截面處溫度極小值較低。相較于其他散熱器,3#散熱器中心截面處溫度的極大值和極小值均為最小。

        4.2 水平截面溫度分布

        水平截面的位置為散熱器上表面豎直向下0.5mm 處,以3#散熱器為例,該截面的位置如圖5所示。

        圖5 水平截面示意圖

        根據(jù)本文中4 種散熱器的仿真結(jié)果,水平截面處的溫度分布如圖6所示。

        圖6 水平截面溫度云圖

        散熱器水平截面處,中心溫度高,四周溫度低。不同散熱器的水平截面溫度極值如表4所示。

        表4 散熱器水平截面溫度極值

        由表4 可知,0#、1#和2#散熱器水平截面溫度的極大值數(shù)值接近,極小值也相差不大,只是1#散熱器的兩個(gè)數(shù)值稍大。相比于其他散熱器,3#散熱器水平截面溫度的極大值和極小值都最小,低于其他散熱器對應(yīng)數(shù)值2℃左右。

        4.3 通道壓力分布

        在距離散熱器上表面4mm 處的水平截面上得到散熱器流道壓力分布云圖。該截面位于散熱器豎直方向的中點(diǎn)處,以3#散熱器為例,該截面的位置如圖7所示。

        圖7 流道壓力云圖

        不同散熱器的流道截面形狀不同,導(dǎo)致流道出入口壓差不同。表5 比較了不同散熱器10 個(gè)流道出入口壓差的平均值。

        表5 散熱器流道出入口壓差平均值

        由表5 可知,2#散熱器流道的出入口壓差平均值最小,3#散熱器流道的出入口壓差平均值最大。

        4.4 通道縱向速度分布

        散熱器的10 個(gè)流道相同,僅研究其中一個(gè)流道的速度分布即可。本文選擇序號為5 的流道進(jìn)行研究,仿真得到該流道中心縱向截面處速度云圖,以3#散熱器為例,該截面的位置如圖8所示。

        圖8 流道中心縱向截面示意圖

        根據(jù)本文中4 種散熱器的仿真結(jié)果,流道中心縱向截面處速度分布如圖9所示。

        圖9 流道中心縱向截面速度云圖

        通過分析圖9 的速度云圖,可以獲得散熱器流道內(nèi)的速度分布特點(diǎn)。在靠近流道壁面處,速度較小,在靠近流道中心軸線處,速度較大。特別地,對于3#散熱器來說,在等腰三角形頂角處形成速度旋渦,具體如圖10所示。

        圖10 3#散熱器速度云圖

        4.5 綜合性能分析

        本文定義的綜合性能參數(shù)包括熱力學(xué)參數(shù)和流體力學(xué)參數(shù),分別為換熱系數(shù)h和摩擦系數(shù)f。在分析本文中4 種散熱器綜合性能之前,先分析不同散熱器的這兩個(gè)參數(shù)。

        圖11 展示的是不同散熱器換熱系數(shù)的比較結(jié)果,從圖中可以看出,1#散熱器的換熱系數(shù)最小,3#換熱器的換熱系數(shù)最大,除了3#散熱器,其余散熱器的換熱系數(shù)都比較接近。

        圖11 不同散熱器換熱系數(shù)的比較

        圖12 展示的是不同散熱器摩擦系數(shù)的比較結(jié)果,從圖中可以看出,2#散熱器的摩擦系數(shù)最大,1#散熱器的次之,0#散熱器和3#散熱器的摩擦系數(shù)相當(dāng),在散熱器中最小。

        圖12 不同散熱器摩擦系數(shù)的比較

        圖13 展示的是不同散熱器綜合性能參數(shù)的比較結(jié)果,3#散熱器的綜合性能參數(shù)最大,0#散熱器的次之,1#和2#散熱器的數(shù)值相當(dāng),且為最小。可以看到,相比于0#散熱器,3#散熱器的綜合性能參數(shù)提高了17%。

        圖13 不同散熱器綜合性能參數(shù)的比較

        5 結(jié)語

        本文構(gòu)建了不同流道截面形狀的液冷散熱器模型,研究了4 種散熱器多個(gè)截面處的溫度分布情況、流道壓力分布情況以及流道速度分布情況。同時(shí),本文還研究了這4 種散熱器的換熱系數(shù)、摩擦系數(shù)以及綜合性能參數(shù)。得到以下結(jié)論:

        1)散熱器溫度分布呈現(xiàn)中心高、四周低的特點(diǎn),3#散熱器的最高溫度低于其他散熱器2℃左右。

        2)2#散熱器的出入口壓差平均值最小,3#散熱器的出入口壓差平均值最大。

        3)散熱器流道內(nèi)速度分布呈現(xiàn)靠近壁面處速度較小,靠近中心軸線處速度較大的特點(diǎn),另外,3#散熱器在等腰三角形頂角處形成速度旋渦。

        4)1#散熱器的換熱系數(shù)最小,3#換熱器的換熱系數(shù)最大。2#散熱器的摩擦系數(shù)最大,0#散熱器的摩擦系數(shù)最小。3#散熱器的綜合性能參數(shù)最大,2#散熱器的綜合性能參數(shù)最小。

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