冷板傳熱特性的計算流體力學(xué)仿真方法

吳 剛，朱雅鵬，周守鋒，張瑜珊

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，西安 710065)

大功率電子模塊廣泛應(yīng)用在交通控制、功率變換、工業(yè)電機(jī)、不間斷電源、風(fēng)電與太陽能設(shè)備等領(lǐng)域。伴隨著大功率電子模塊的熱流密度日益提高，對其冷卻系統(tǒng)的散熱能力提出了越來越高的技術(shù)要求。通常當(dāng)大功率電子模塊的熱流密度大于0.6 W/cm2時，液體冷卻將成為冷卻方式的最佳選擇［1］。液體冷卻中最常見的是冷板，冷卻介質(zhì)在冷板內(nèi)置的通道內(nèi)流過，帶走安裝在冷板上的電子元器件所耗散的熱量。

大功率電子模塊用冷板的傳熱特性(主要包括溫度場分布情況和熱效率)的研究成果多限于單一工況條件下的傳熱特性分析，即電子模塊在某一定值功率輸出條件下所對應(yīng)的傳熱特性。文獻(xiàn)［2］分析了直線型流道、S型流道和有內(nèi)置分流片的S型流道3種冷板在單一工況條件下的流場和溫度場分布情況，得出有內(nèi)置分流片的S型流道熱效率最高。文獻(xiàn)［3］研究了中間入口的S型流道、雙S型流道和中間入口的雙S型流道3種改進(jìn)的流道結(jié)構(gòu)在單一工況條件下的溫度場分布和流動情況，實驗結(jié)果表明:中間入口的S型流道具有最佳的熱效率和流動綜合性能。文獻(xiàn)［4］對不同翅片結(jié)構(gòu)的冷板在單一工況下的溫度分布進(jìn)行分析，通過實驗得出X型翅片結(jié)構(gòu)的冷板比直線型翅片冷板溫度場分布更加合理。以上文獻(xiàn)多限于研究單一工況條件下冷板流道結(jié)構(gòu)的變化和冷板翅片結(jié)構(gòu)變化對應(yīng)的傳熱特性。

在實際的工程應(yīng)用中，大功率電子模塊工作環(huán)境通常比較復(fù)雜，需要在不同工況條件下工作，根據(jù)實際情況需要頻繁切換功率輸出狀態(tài)，不同工況對應(yīng)著電子模塊不同的功率輸出，即不同的熱量耗散，其工況變化會使冷板的傳熱特性也發(fā)生相應(yīng)的變化。此時冷板在倍增的電子模塊發(fā)熱功率下溫度分布的變化規(guī)律和相應(yīng)的熱效率變化情況不明。由于對電子模塊的散熱不良區(qū)域位置不了解，因此無法對熱量集中區(qū)域采取必要冷卻措施，同時對相應(yīng)的熱效率情況也不清楚，不知道冷板散熱情況是否達(dá)到飽和狀態(tài)，是否有一定的散熱潛力可供挖掘。對冷板在不同工況條件下的傳熱特性的正確認(rèn)識是確保電子模塊正常運行的重要前提。大功率電子模塊用冷板在不同工況條件下的溫升是否是線性關(guān)系，熱效率如何變化等傳熱特性研究成果尚未見相關(guān)報道。本文提出冷板在不同工況下傳熱特性的計算流體力學(xué)仿真方法。

1 計算流體力學(xué)仿真的一般方法

1.1 電子模塊集成冷板的結(jié)構(gòu)

一典型結(jié)構(gòu)的大功率電子模塊由6個IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)及冷板組成。每個IGBT尺寸為100 mm×60 mm，每2個IGBT為1組，3組排1行，組與組芯片之間的間距為30 mm，每組內(nèi)部芯片的間距為3 mm。冷板尺寸為720 mm×250 mm×30 mm，由6063鋁基板與T2紫銅管組成。IGBT位于T2紫銅管正上方，冷卻液從管內(nèi)流過。電子模塊集成冷板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。表1列出該冷板的相關(guān)參數(shù)。

圖1 電子模塊集成冷板的結(jié)構(gòu)

表1 冷板相關(guān)參數(shù)

1.2 計算流體力學(xué)仿真的一般方法

使用計算流體力學(xué)方法進(jìn)行仿真，可借助商業(yè)軟件來完成需要的任務(wù)，也可直接編寫計算程序，兩種方法的基本工作過程是一致的［5－9］。仿真主要分5步:建模;定義邊界條件;網(wǎng)格劃分;計算;后處理。其中50%以上的工作量花在建模和網(wǎng)格劃分上。可以使用商業(yè)軟件自身的前處理器生成幾何模型，也可以借用其他商業(yè)CAD/CAE軟件生成的模型。邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其導(dǎo)數(shù)隨時間和地點的變化規(guī)律。定義的邊界條件包括工作環(huán)境條件、求解域、熱元件物性參數(shù)、散熱功率等。網(wǎng)格如何劃分直接決定求解的精度和速度。在保持適當(dāng)精度的前提下，應(yīng)盡量減少網(wǎng)格數(shù)，尋求計算精度和網(wǎng)格數(shù)的最佳平衡點。計算的核心是數(shù)值求解方案，常用的求解方案包括有限差分、有限元、譜方法和有限體積法等。后處理則將計算過程得出的各個節(jié)點的解以適當(dāng)?shù)氖侄伪硎境鰜?，一般通過線值圖、矢量圖、等值線圖、流線圖、云圖等方式對計算結(jié)果進(jìn)行表示。

2 冷板傳熱特性的計算流體力學(xué)仿真方法

2.1 建模

計算流體力學(xué)方法對冷板在不同工況下的傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬。首先建立傳熱過程模型。建模前需要對電子模塊元器件組成和傳熱過程分別進(jìn)行必要的簡化。大功率電子模塊上的元器件都向外散發(fā)熱量，但散熱功率差別巨大，甚至是幾個數(shù)量級的。將散熱功率微小的元器件忽略不計，計算時僅考慮散熱量大的元器件，簡化了電子模塊元器件組成。冷板真實的傳熱過程包括傳導(dǎo)、對流、輻射3種方式，但由于輻射傳熱的功率低，此方式可忽略不計。冷板傳熱過程簡化為液體流動換熱、固－液對流換熱及固體導(dǎo)熱的耦合傳熱問題。建模前需要對流體的屬性參數(shù)作出以下假設(shè):①流體的物性參數(shù)為常數(shù);②流體定常流動;③流體不可壓縮;④流體在壁面無滑移，即壁面處的流速為0。完成上述簡化和假設(shè)后，即可向軟件輸入幾何模型，定義所求問題模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，完成建模工作。

2.2 定義邊界條件

數(shù)值模擬過程中邊界條件的設(shè)置最難掌握，但卻對計算結(jié)果有重要的影響。根據(jù)對冷板傳熱過程作出的假設(shè)設(shè)置以下邊界條件:①IGBT處的等熱流密度邊界;② 冷板入口水流速;③ 出口的局部單向化邊界條件。由于本文所涉及的傳熱過程是穩(wěn)態(tài)問題，所以不需要初始條件。

2.3 網(wǎng)格劃分和計算

網(wǎng)格劃分是一個“漫長而枯燥”的工作過程，因此出現(xiàn)了許多商品化的專業(yè)網(wǎng)格生成軟件，可以利用這些工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分。此方法沒有特別之處，但需要進(jìn)行大量的嘗試才能夠取得最佳的劃分結(jié)果?？刂品匠痰那蠼獠捎脡毫︸詈戏匠探M的半隱式方法(SIMPLE算法)，此算法是目前工程上應(yīng)用最為廣泛的一種流場計算方法，具有適用范圍寬廣、收斂速度快捷的特點。

2.4 后處理

首先利用基于熱力學(xué)獲得的冷卻劑流量作為初始值，將其代入數(shù)值模擬過程，可以得到冷板的溫度場分布云圖。通過云圖發(fā)現(xiàn)其滿足冷板的散熱要求，但是其冗余量很大，會提高冷卻系統(tǒng)的水泵性能要求，增加制造成本，降低系統(tǒng)的可靠性。反之，如果偏小，又會造成系統(tǒng)溫度過高、溫升失控等問題，將威脅電子模塊的生命。將冷卻劑流量初始值逐步降低，通過多次的仿真迭代分析使其接近真實的最優(yōu)值。該最優(yōu)結(jié)果既能滿足冷板在不同工況下的散熱需求，同時熱效率相對最高，從而對冷卻系統(tǒng)的水泵硬件條件要求降低，達(dá)到效能比最高的要求。最后，以流量最優(yōu)值為已知參數(shù)代入單一工況條件下的仿真過程，能夠得到一個溫度場的分布云圖，進(jìn)一步可得到熱效率。以流量最優(yōu)值為已知參數(shù)代入不同工況條件下的仿真過程，能夠得到多個溫度場的分布云圖，進(jìn)一步可得對應(yīng)的熱效率，從而仿真得到冷板在不同工況下的傳熱特性。

3 仿真與實驗驗證

3.1 仿真實例

上述結(jié)構(gòu)的電子模塊需要在6種不同的功率輸出模式下正常工作，不同工況下的熱耗散功率參數(shù)見表2，其中最大熱耗散功率約是最小值的4.3倍。利用計算流體力學(xué)方法仿真得到的冷板溫度分布云圖從理論上可以獲得溫度場上任意一點的溫度值，得到冷板的溫度場分布情況，進(jìn)一步可得到冷板的熱效率，從而全面掌握冷板傳熱性能。

表2 散熱元器件參數(shù)

上述結(jié)構(gòu)的電子模塊在6種不同工況下的溫度仿真結(jié)果見圖2。當(dāng)冷卻液進(jìn)口溫度為19.7℃，流速為4 LPM時，選擇電子模塊上的5個典型的工位點(包括冷卻劑進(jìn)、出口處，冷板上最高溫度處，最低溫度處，隨機(jī)一處)作為測試點，它們在6種不同工況下的溫度場分布情況如下:冷板在熱耗散功率成倍增加的工況下，溫度場分布規(guī)律表現(xiàn)出很高一致性，電子模塊上任意一點的溫度值都伴隨著耗散功率的增加而提高，但并非是線性關(guān)系;當(dāng)熱元件耗散功率是最低功率的2倍時，5個測試點溫差很小，可見此時冷板將IGBT耗散的熱量絕大部分吸收，冷卻液通過對流的形式將熱量帶走;隨著耗散功率進(jìn)一步增大，電子模塊的溫度升高比較明顯。當(dāng)元器件耗散功率增加到最小值的3.2倍時，溫度大約升高20%;當(dāng)元件耗散功率增加到最小值的4.3倍時，溫度大約升高30%。通過仿真溫度場，可以得到在6種工作載荷下的冷板熱效率。當(dāng)元器件處于中低耗散功率時，冷板熱效率接近100%;在最高耗散功率時，冷板熱效率接近90%。

圖2 不同工況下電子模板測試點溫度仿真值

3.2 實驗平臺和實驗結(jié)果

這里對冷板的傳熱性能進(jìn)行實驗驗證，以對仿真結(jié)果進(jìn)行檢驗。實驗流程如圖3所示。循環(huán)水路的動力由水泵提供，流速通過安裝在主回路和儲水箱支管上的3個閥門來調(diào)節(jié)。芯片產(chǎn)生的熱量由空氣－水換熱器帶到周圍環(huán)境中。冷板的進(jìn)出口水溫通過2個熱電偶測量，流速通過流量計進(jìn)行測量。芯片及冷板上表面的溫度通過17個熱電偶測得。通過熱電偶測得電子模塊的某一位置的實時溫度得到溫度場的分布規(guī)律，進(jìn)一步可得冷板的熱效率。

圖3 實驗流程

實驗結(jié)果顯示19處熱電偶測得的溫度值表現(xiàn)出一致的特性。圖4是在冷卻液入口溫度為19.7℃，流速為4 LPM的情況下，電子模塊在6種不同工況下的最高溫度情況。由圖4可知測得的溫度峰值均大于仿真值，其中最小的誤差為8%，最大的誤差為15%，但都在合理的范圍內(nèi)(傳熱過程的熱力學(xué)仿真存在一定的計算誤差，一般在30%左右，如果將誤差控制在20%左右已經(jīng)算是精確的結(jié)果)?？梢钥吹诫娮幽K在熱耗散功率成倍增加的工況下，溫度場分布規(guī)律表現(xiàn)出很強的一致性，為一種非線性的特征，當(dāng)最大的熱負(fù)荷是最小值4.3倍時電子模板的最高溫度上升了22%。

圖4 不同工況下電子模塊的最高溫度

圖5為在冷卻液入口溫度為19.7℃，流速為4 LPM的情況下，冷板在6種不同工況下的熱效率。由圖5可知實驗獲得的熱效率值均小于仿真值，即冷板真實的熱效率比仿真結(jié)果低?？梢钥吹皆诘秃纳⒐β氏拢浒宓纳嵝蔬_(dá)到90%左右，可將電子模塊絕大部分熱量帶走。當(dāng)耗散功率最大時，冷板熱效率降至74%。這體現(xiàn)了傳熱模型復(fù)雜性:在一個傳熱的過程中，熱傳導(dǎo)、對流傳熱、輻射傳熱都有參與，但各自在傳熱的過程中所占比例不同，而且伴隨著傳熱工況的變化而改變。伴隨著熱元件耗散功率的增大，冷板的熱效率逐漸降低。上述實驗結(jié)果與仿真所得出的溫度特性表現(xiàn)出的趨勢是一致的。

圖5 不同工況下冷板的熱效率

3.3 實驗結(jié)果分析

冷板傳熱特性的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果表現(xiàn)出一致的趨勢，可以看到基于計算流體力學(xué)方法的仿真模型對冷板的傳熱特性模擬得比較準(zhǔn)確。兩種方法都表現(xiàn)出伴隨著電子模塊散熱功率的成倍增加，電子模塊溫升與冷板的傳熱量并不是簡單的線性關(guān)系。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果存在一定的誤差，表現(xiàn)在仿真獲得的溫度值比真實值低，熱效率比真實值高。這主要是由于在仿真分析過程中設(shè)定了一些理想化的條件，以及計算流體力學(xué)分析方法自身存在一定的局限性，程序的編制在很大程度上依賴于個人的經(jīng)驗和技巧等，因此仿真結(jié)果必然與實驗結(jié)果有一定的誤差，但不足以影響對冷板傳熱特性的正確認(rèn)知。通過實驗測量方法可以得到冷板的傳熱特性，但是實驗往往受模型尺寸、流場擾動、測試人員安全和測量精度的限制，對于某些特殊情況可能很難通過實驗方法得到結(jié)果。此外，實驗還會遇到經(jīng)費、人力、物力的巨大耗費及周期長等許多困難?；谟嬎懔黧w力學(xué)方法的數(shù)值模擬克服了實驗測量方法的弱點，在計算機(jī)上實現(xiàn)特定的計算，就好像在計算機(jī)上做了一系列物理實驗，最終可以直觀地表現(xiàn)冷板的傳熱特性。哪些區(qū)域溫度過高或散熱情況不良等，通過仿真可以做到一目了然，心中有數(shù)。

4 結(jié)束語

本文提出冷板在不同工況下的傳熱特性的計算流體力學(xué)仿真方法。通過對電子模塊元器件組成和傳熱過程進(jìn)行簡化，對流體的屬性參數(shù)進(jìn)行假設(shè)，簡化傳熱模型，設(shè)置邊界條件，選擇SIMPLE算法作為控制方程的求解算法，仿真得到冷板在不同工況下傳熱特性。實驗結(jié)果表明:基于計算流體力學(xué)方法的仿真模型對冷板在不同工況下的傳熱特性的模擬比較準(zhǔn)確。

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