微通道設計參數(shù)對系統(tǒng)散熱性能的影響分析

周翔宇 劉啟航 潘萍 黃巍

摘要：電子器件高效的換熱問題成為電子設備中迫切需要解決的問題，微通道換熱技術因此成為高熱流密度電子器件散熱的發(fā)展方向之一。本文對影響微通道散熱性能的主要設計參數(shù)，微通道的形狀幾何尺寸與流道內(nèi)液體流速對系統(tǒng)散熱性能的影響進行了仿真分析。通過Ansys數(shù)值仿真軟件，得到了不同的流道尺寸與流速下，熱源溫升與流體進出口壓差的數(shù)值，對比數(shù)值結果，分析了設計參數(shù)對散熱性能的影響趨勢。結果表明：優(yōu)化流道幾何尺寸，選取適宜的液體流速，可以讓微通道的散熱性能得到充分發(fā)揮。研究結論可為電子設備全系統(tǒng)散熱提供設計依據(jù)。

關鍵詞：微通道；散熱性能；數(shù)值仿真；影響趨勢

1 引言

高集成度高功率的電子器件要求更高效的換熱技術，微通道換熱技術因其結構緊湊、換熱效率高的特點，成為高熱流密度電子器件散熱的有效解決方式之一。電子產(chǎn)品的微通道換熱技術始于20世紀80年代初，D.B.Tuckerman與R.F.Pease首先提出了微通道換熱技術的構想，并以硅為材料制造出了微通道熱沉，進行了實驗研究。隨著微系統(tǒng)和微設備的發(fā)展和應用，微通道內(nèi)的流動和傳熱問題逐漸成為研究者們關注的方向，國內(nèi)外研究者們通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究，對矩形截面、梯形截面等不同截面形狀的微通道內(nèi)的流動特性和傳熱特性進行了研究，通過測量流量、進出口壓力和溫度等參數(shù)，分析了流體流過微通道時的摩擦阻力系數(shù)、對流換熱過程中的熱流通量和努塞爾數(shù)（Nu）。劉趙淼等對不同水力直徑、截面寬高比和通道長度的矩形微通道的流動和傳熱性能進行了數(shù)值模擬研究。江樂新等對三組不同水力直徑的矩形微通道內(nèi)流體的流動特性開展數(shù)值模擬研究，獲得水力直徑對流動特性的影響規(guī)律。從以上研究中可以看出，矩形微通道以其較好的加工性，較高的穩(wěn)定性和熱性能，成為研究者們關于微通道幾何參數(shù)研究的重要結構形式之一。本文對影響矩形微通道散熱性能的主要設計參數(shù)，矩形微通道的幾何尺寸、流道內(nèi)液體流速對系統(tǒng)散熱性能的影響進行了仿真分析，通過數(shù)值仿真軟件，對比數(shù)值，分析了設計參數(shù)對散熱性能的影響趨勢。

2 基本理論

3 模型建立與仿真計算

3.1 模型參數(shù)

微通道散熱系統(tǒng)外表面與空氣接觸，須將外圍計算域調(diào)整為空氣屬性，流道內(nèi)設有微通道，表面設置有兩個供冷卻劑進出的接口，因此需要在流道內(nèi)部添加液體強迫對流計算域，并分別對空氣與液體進行質(zhì)量守恒、動量守恒與綜合能量交換的建模設置，仿真模型如圖1所示。

3.2 邊界條件

微通道基座所用熱沉材料的選擇，需考慮原材料的成本、加工難易程度及熱力學性能的影響，常用于制作微通道熱沉的材料有不銹鋼、硅、鋁和銅，這些基座材料的熱物理性參數(shù)設置可參考軟件內(nèi)置的材料庫。Ansys Icepak軟件內(nèi)置材料庫，可設置金屬材料或半導體材料對應的熱物性參數(shù)，如密度（kg/m3）、材料導熱系數(shù)（W/m·K）、比熱容（J/kg·K）等，可設置流體工質(zhì)對應的熱物性參數(shù)，如密度，材料導熱系數(shù)、比熱容、熱膨脹系數(shù)（1/K）、動力黏度（kg/m·s）、運動粘度（m2/s）、摩爾質(zhì)量（kg/ mol）等。Ansys Icepak中提供了大量的材料數(shù)據(jù)，這些材料被劃分為金屬材料、非金屬材料和半導體材料等，可以直接調(diào)用，或通過Create Material進行材料的創(chuàng)建。定義材料后，可以在分析界面中將仿真模型中不同的體賦予不同的參數(shù)。本項目中選取材料庫中Si-Typical作為流道所用的熱沉材料，選擇去離子水Water（320 K）作為流體工質(zhì)進行計算，材料屬性見表1、表2。

整個系統(tǒng)主要的熱邊界條件是，熱量由發(fā)熱芯片傳導至微通道散熱器，微通道內(nèi)部流體工質(zhì)在微通道中流動形成強迫對流，從而實現(xiàn)熱量的交換，該過程既有熱傳導也有對流傳熱。

將環(huán)境溫度設置為20℃，發(fā)熱芯片尺寸設置為5 mm×5 mm×1 mm，熱流密度為600 W/cm2，共計150 W，微通道入口流量為150 mL/min，即2.5 cm3/s，流體進出口直徑為1.3 mm。

在仿真分析軟件中，根據(jù)輸入要求設置環(huán)境溫度，微通道為層流狀態(tài)，迭代步數(shù)設置為600，連續(xù)性和速度殘差為10-3，能量殘差為10-7，調(diào)整松弛因子，設置溫度監(jiān)測點，多核計算。

3.3 網(wǎng)格獨立性驗證

在對研究對象進行數(shù)值模擬前，往往需要對物理模型的網(wǎng)格進行測試和判斷，根據(jù)網(wǎng)格形狀、網(wǎng)格單元數(shù)量和網(wǎng)格單元質(zhì)量等進行判斷網(wǎng)格獨立性，以此保證數(shù)值仿真結果可信。本項目在網(wǎng)格獨立性的相關判斷時，考慮了流道不同網(wǎng)格控制尺寸對數(shù)值仿真結果的影響，表3列出了流道網(wǎng)格加密對本項目研究的關鍵因素的影響數(shù)據(jù)，從表3可以看出，第三組數(shù)據(jù)與第四組數(shù)據(jù)在網(wǎng)格數(shù)量增加較大的情況下，最高溫度與壓差（關鍵因素）的變化很小，繼續(xù)加密網(wǎng)格對關鍵因素的影響不大，綜合單元質(zhì)量及關鍵因素的變化率，可以判斷在設置流道網(wǎng)格參數(shù)為第三組時，網(wǎng)格具有獨立性，因此，本項目選擇第三組網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行數(shù)值仿真計算，網(wǎng)格數(shù)據(jù)組X—Z截面圖如圖2所示，網(wǎng)格劃分模型圖如圖3所示。

3.4 數(shù)值結果分析

通過后處理模塊的仿真計算分析，對計算結果進行提取顯示。重點對芯片切面溫度、進出水口壓差、流道內(nèi)流場矢量、流體溫度等結果數(shù)據(jù)進行提取，提取結果如圖4～8所示。

4 設計參數(shù)對散熱性能的影響分析

4.1 不同進口流量對溫升的影響

通過仿真分析，得到表4所示的仿真數(shù)據(jù)，從中可以看出，芯片溫度T隨著流量V的增加而降低，但是下降趨勢逐漸放緩。曲線如圖9所示。

通過仿真分析，得到表5所示的仿真數(shù)據(jù)，從中可以看出，進出口壓差△P隨著流量V的增加而增大，且增量逐漸變大，上升趨勢越發(fā)明顯。V—△P曲線如圖10所示。

4.3 不同散熱齒間距對溫升的影響

通過仿真分析，得到表6所示的仿真數(shù)據(jù)，從中可以看出，芯片溫度T隨著微通道齒間距D的增加而增大，但是增量逐漸減小，上升趨勢逐漸放緩。D—T曲線如圖11所示。

4.4 不同散熱齒間距對進出口壓差的影響

通過仿真分析，得到表7所示的仿真數(shù)據(jù)，從中可以看到：進出口壓差隨著微通道齒間距D的增加而降低，且下降趨勢逐漸放緩。

5 結論

在微通道設計參數(shù)對系統(tǒng)散熱性能的影響分析中，通過仿真軟件，針對相同物理形式的微通道，在不同進口流量下對熱源芯片溫升、進出口壓差進行了仿真分析，針對相同的進口流量，在不同散熱齒間距下對熱源芯片溫升、進出口壓差進行了仿真分析。優(yōu)化流道幾何尺寸，選取適宜的液體流速，可以找到溫升與壓差的相對平衡點，讓微通道的散熱性能得到充分發(fā)揮，通過比較分析，得到了以下結論。

（1）發(fā)熱芯片溫度隨著流量的增加而降低，但是下降趨勢逐漸放緩。

（2）進出口壓差隨著流量的增加而增大，且增量逐漸變大，上升趨勢越發(fā)明顯。

（3）發(fā)熱芯片溫度隨著微通道齒間距的增加而增大，但是增量逐漸減小，上升趨勢逐漸放緩。

（4）進出口壓差隨著微通道齒間距的增加而降低，且下降趨勢逐漸放緩。

參考文獻

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