基于ansysCFX的矩形微通道液冷冷板換熱性能仿真分析

李兵強

（中國電子科技集團公司第二十研究所）

引言

隨著芯片向小型化、集成化、高速化發(fā)展，芯片熱流密度越來越大，芯片性能的有效發(fā)揮和進一步提高受到散熱瓶頸的制約。微通道液冷技術被認為是解決高熱流密度芯片散熱問題的有效方式。微通道冷板的結構原理如圖1所示。

圖1 微通道冷板結構原理圖

自上世紀80年代以來，國內(nèi)外學者已對微通道液冷作了許多研究。Xu[1]對水力學直徑為30到344微米的微通道，在Re數(shù)為20到4000范圍內(nèi)進行了研究，結果表明基于連續(xù)流體假設的N-S方程仍然成立。Zeighami等[2]研究了深為150微米、寬為100微米的微通道的轉捩點約為Re=1600，研究表明，對于微通道而言，層流變湍流的轉捩點提前了。

揭貴生等[3]從理論上對矩形截面微通道的結構參數(shù)與散熱熱阻的關系進行了推導，據(jù)此可對各通道參數(shù)進行優(yōu)化選擇。徐德好[4]應用Flotherml軟件對系列尺寸的矩形微通道冷板進行仿真分析并驗證，獲得了冷板換熱性能與流道結構參數(shù)的關系。

綜上所述，學界目前普遍認為在不涉及相變時，連續(xù)介質(zhì)假設成立，N-S方程和傅立葉導熱定律對微通道內(nèi)的層流液體流動仍具有適用性。因此，基于N-S方程的CFD軟件CFX可用于對微通道換熱進行仿真分析。

本文在AWB14.0平臺下建立矩形微通道冷板的仿真模型，應用CFX分析微通道各參數(shù)對換熱性能的影響。

1 仿真模型的建立

本文利用NX7.5建立冷板的三維模型。典型結構參數(shù)為流道寬度D=0.5mm，深度H=2mm，間距T=1mm，流動方向長度L=30mm，流道數(shù)目16。芯片長×寬×高=30×16×2.5(mm)。冷板出、入水口直徑均為4mm。芯片材料為硅，冷板基體為Al5A06，冷卻介質(zhì)為水。結構模型導入AWB后，在滿足網(wǎng)格無關性，且兼顧網(wǎng)格總量的前提下劃分網(wǎng)格（流體邊界層為4層）。最終建立的仿真模型如圖2示。

圖2 冷板仿真模型

仿真計算中對模型作如下假設和簡化：

( 1) 流體為常物性,且為定常流動；

( 2)忽略輻射和空氣自然對流散熱；

邊界條件設置如下：

( 1) 芯片和冷板的接觸面為固固傳熱，流體和冷板的接觸面為流固傳熱；

( 2) 熱源和冷板的外壁面為絕熱面；

( 3) 流體入口設為速度入口（1m/s），25℃，出口設為壓力出口（大氣壓）；

( 4) 芯片作為體熱源（折合面熱密度為50W/cm2）

2 仿真結果分析

由文獻[3]的理論分析可知，在冷板外形尺寸一定的前提下，換熱性能的影響因素主要有流量、流道深度、流道寬度、流道數(shù)目等。對微通道的換熱性能按換熱系數(shù)h1和換熱效率k評價，其定義為

式中：Q——熱源的發(fā)熱量 (W)

Asource——熱源和冷板接觸面積 (m2)

Twc——熱源表面平均溫度( ℃)

Tave——為進出口冷卻液平均溫度 (℃)

qL——冷板流量 (m3/s)

△P——進出口壓力損失 (Pa)

h1直接影響芯片的結溫，結溫的高低對其使用壽命影響很大，且一般都有結溫限制。k為換熱系數(shù)與消耗的泵源能量之比，表征冷板的換熱效率。

2.1 入口流速對冷板性能的影響

冷板結構尺寸如1所述不變，入口流速取不同值，并保證流道內(nèi)Re＜1600，即符合層流狀態(tài)（后面各例同理）。換熱系數(shù)h1和效率k與入口流速關系如圖3示

換熱系數(shù)隨入口流速增大而增大，但增速趨緩；由于壓力損失急劇增加，導致效率隨流速增大而急劇減小。因此在選擇流量時應綜合考慮。在滿足散熱需求的前提下選擇小的流量較為合適。

2.2 流道深度對冷板性能的影響

換熱系數(shù)h1和效率k與流道深度H的關系如圖4示。

換熱系數(shù)隨流道深度增大而先增大，后減小，存在極大值，在深度為3mm附近；效率k隨深度增大而增大，但增速趨緩。因此，流道深度的選擇需要綜合考慮。由于從極值點再增大深度換熱效率提高并不明顯，反而犧牲了換熱系數(shù)，筆者認為取換熱系數(shù)最大的深度較為合適。

2.3 流道寬度對冷板性能的影響

換熱系數(shù)h1和效率k與流道寬度的關系如圖5示。

換熱系數(shù)隨流道寬度增大而減小，效率隨寬度增大而增大，均趨緩。因此，流道寬度的選擇需要評判換熱系數(shù)和效率的重要性，綜合考慮。

2.4 流道數(shù)目對冷板性能的影響

換熱系數(shù)h1和效率k與流道數(shù)目的關系如圖6示。

換熱系數(shù)和效率均隨流道數(shù)目增大（周期T減?。┒龃螅吘?。因此，在不顯著增加加工難度的前提下，增大流道數(shù)目可以有效提高冷板換熱系數(shù)和效率。

3 結論

（1）本文分析了流量，流道高度、寬度、數(shù)目對矩形截面微通道冷板性能的影響，得到了換熱系數(shù)和效率隨各參數(shù)的變化規(guī)律，結果對于該類型冷板的設計具有一定的指導意義。

（2）本文應用CFX仿真分析的結果與文獻[4]的相關結論一致，從而對于更為復雜的無法理論分析的微通道冷板模型，CFX仿真分析方法具有很好的應用前景。

【參考文獻】

[1]Xu,B.,Ooi,K.T.,and Wong,N.T.,2000, Experimental Investigation of Flow Friction for Liquid Flow in Microchannels，International Communications in Heat and MassTransfer, 27,pp.1165-1176.

[2]Zeighami,R.,Laser,D.,Zhou,P.,Asheghi,M.,Devasenathipathy,S.,Kenny, and Goodson, K.,2000,Experimental Investigation of Flow Transition in Micro-channel Using Micro-resolution Particle Image Velocimetry,Proceedings of ITHERM 2000,Volume II,pp.148-153

[3]揭貴生，大容量電力電子裝置中板式水冷散熱器的優(yōu)化設計[J]，機械工程學報，2010年1月，第46卷第2期

[4]徐德好. 微通道液冷冷板設計與優(yōu)化[J].電子機械工程，2006（2）：14-18