磁性納米流體微通道散熱分析

李春泉 李雪斌 林奈 黃紅艷

摘要： 為研究磁性納米流體在微通道散熱器中的散熱能力，利用Space Claim和Fluent Meshing建立微通道散熱器的三維幾何模型與網(wǎng)格模型，再將其導(dǎo)入Fluent中，以水基四氧化三鐵磁性納米流體冷卻液為研究對象，仿真不同體積分?jǐn)?shù)磁性納米流體以不同流速在微通道散熱器中傳熱情況，得到芯片溫度分布，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算獲得磁性納米流體散熱性能及其變化趨勢，研究磁性納米顆粒體積分?jǐn)?shù)與流速對基液散熱能力的影響規(guī)律。

Abstract： In order to study the heat dissipation capacity of magnetic nanofluids in microchannel radiators， Space Claim and Fluent Meshing are used to establish the three-dimensional geometric model and mesh model of the microchannel radiator， and then import them into Fluent to use water-based ferromagnetic Nanofluid coolant is the research object， simulate the heat transfer of different volume fractions of magnetic nanofluids in the microchannel radiator at different flow rates， obtain the chip temperature distribution， and combine the numerical calculation to obtain the heat dissipation performance and change trend of the magnetic nanofluid， and study the magnetism The influence of nanoparticle volume fraction and flow rate on the heat dissipation capacity of base fluid.

關(guān)鍵詞： 磁性納米流體;Fe3O4;微通道散熱;熱分析;有限元分析

Key words： magnetic nanofluid;Fe3O4;microchannel heat dissipation;thermal analysis;finite element analysis

中圖分類號：TK124? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0045-03

0? 引言

隨著節(jié)能減排政策推出，為解決此問題，長期目標(biāo)是發(fā)展新能源汽車（混合動力、純電動、燃料電池），但短期可行的途徑還是發(fā)展高效內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，使用汽車發(fā)動機(jī)電子控制單元（ECU）智能化控制內(nèi)燃機(jī)。因?qū)?nèi)燃機(jī)智能化控制的要求和半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)一步發(fā)展，ECU的集成化勢必會進(jìn)一步提高，隨之而來的則是其發(fā)熱量的增大，降低ECU的可靠性的降低，因此增強(qiáng)對ECU的散熱能力是必要的。磁性納米流體微通道散熱有著結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、散熱高效的優(yōu)點(diǎn)，同時換熱介質(zhì)為磁性納米流體，其有著導(dǎo)熱率高、傳熱性能好的優(yōu)點(diǎn)[1]，因此磁性納米流體微通道散熱器利于增強(qiáng)ECU的散熱能力，對磁性納米流體散熱的分析是有必要的。

1? 仿真模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及前處理? 運(yùn)用Space Claim幾何建模軟件建立微通道散熱器的幾何模型如圖1所示，其中微通道共分為三層上層與下層材料為鋁合金，中間層材料為銅;發(fā)熱元件與微通道散熱器下層相接觸，流體域主要分布在中間層。微通道散熱器尺寸92mm×95mm×2mm，支流通道為矩形通道，可以實(shí)現(xiàn)對發(fā)熱芯片的有效散熱。

網(wǎng)格劃分時，對流體邊界面進(jìn)行膨脹設(shè)置，以提高計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分方法采用Fluent Meshing獨(dú)有的Poly網(wǎng)格劃分方法。根據(jù)以上方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)目為812921，最大網(wǎng)格質(zhì)量為0.79435965、最小正交質(zhì)量為2.05640e-01、最大橫縱比為30.6955，網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)良，滿足計(jì)算收斂條件。通過Fluent Meshing網(wǎng)格劃分后結(jié)果如圖2所示。

1.2 材料參數(shù)? 磁性納米流體材料參數(shù)計(jì)算。

密度計(jì)算公式[2]：ρ=ρsφs+ρc（1-φs）

導(dǎo)熱率計(jì)算公式[3]：■

黏度計(jì)算公式[4]：μ=μc（1+2.5φs+6.25φs2）

比熱容計(jì)算公式：c=csφs+cc（1-φs）

下角標(biāo)s為四氧化三鐵納米顆粒，下角標(biāo)c為去離子水。Fe3O4納米顆粒購置于北京市德科島金有限公司，納米顆粒的純度為99%。該公司提供了25℃時Fe3O4納米顆粒的部分物性參數(shù)，去離子水與Fe3O4材料參數(shù)[5]見表1。

2? 仿真結(jié)果分析

本次仿真模擬發(fā)熱元件發(fā)熱功率為100W，采用穩(wěn)態(tài)湍流求解計(jì)算，求解時開啟RNG k-ε湍流方程與能量方程，使用couple求解器。冷卻液溫度設(shè)為298.15K，初始環(huán)境溫度為298.15K。為研究Fe3O4磁性納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)以及Fe3O4磁性納米流體流速對微通道散熱能力的影響，將通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)固定，流速在0.5m/s～0.9m/s間變化，體積分?jǐn)?shù)在0.003～0.015之間變化。

2.1 磁性納米流體流速對微通道散熱性能影響? 經(jīng)運(yùn)算達(dá)到收斂狀態(tài)，進(jìn)入熱平衡狀態(tài)，發(fā)熱芯片表面溫度隨流速變化的溫度分布云圖見圖3。

圖3中發(fā)熱芯片表面高溫區(qū)范圍隨著流速的增加逐漸縮小，同時高溫區(qū)溫度隨著流速增加而逐漸下降，由85.64℃下降到66.83℃，共下降了18.81℃;芯片表面均溫由64.85℃下降到48.85℃，共下降了16℃。

由此可見磁性納米流體流速的增加明顯增強(qiáng)了散熱器的散熱能力。同時隨著流速的增加發(fā)熱芯片上的溫度分布愈發(fā)均勻。其溫度分布的均勻性更好，有利于避免由溫度梯度大引起的熱變形導(dǎo)致芯片損壞。

2.2 Fe3O4磁性納米顆粒體積分?jǐn)?shù)對微通道散熱性能影響? 經(jīng)運(yùn)算達(dá)到收斂狀態(tài)，進(jìn)入熱平衡狀態(tài)，發(fā)熱芯片表面溫度隨Fe3O4磁性納米顆粒體積分?jǐn)?shù)變化的溫度分布云圖見圖4。圖4中發(fā)熱芯片表面高溫區(qū)范圍隨著Fe3O4磁性納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加逐漸縮小，而次高溫區(qū)的范圍在緩慢增加，同時高溫區(qū)溫度隨著體積分?jǐn)?shù)增加而逐漸下降，但下降幅度不大，由73.58℃下降到72.41℃，共下降了1.17℃;發(fā)熱芯片表面均溫則由53.85℃下降到52.85℃，共下降了1℃。

由此可見Fe3O4磁性納米顆粒體積分?jǐn)?shù)對增強(qiáng)微通道散熱器的散熱能力有著一定作用;隨著Fe3O4磁性納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，發(fā)熱芯片表面溫度分布愈發(fā)均勻，但其變化緩慢。

2.3 因素影響趨勢分析? 對仿真結(jié)果進(jìn)行均值響應(yīng)分析得磁性納米流體體積分?jǐn)?shù)與流速對發(fā)熱芯片表面溫度影響的主效應(yīng)圖，如圖5、圖6所示。

散熱器表面平均溫度隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而下降，呈線性關(guān)系，這是由于隨著Fe3O納米顆粒在流體所占比例上升，磁性納米流體的導(dǎo)熱率隨之增大，比熱容隨之減小，磁性納米流體的冷卻能力得到增強(qiáng)。通過計(jì)算得到其回歸方程為：Tave=328.67-90F

F：Fe3O4體積分?jǐn)?shù)

Tave：散熱器表面平均溫度

散熱器表面平均溫度與磁性納米流體流速呈現(xiàn)指數(shù)下降關(guān)系，通過計(jì)算得到其回歸方程為：Tave=417.15085-51.25581-e■-51.25581-e■

S：磁性納米流體流速

本小節(jié)通過一系列計(jì)算分別得到發(fā)熱元件表面均溫與磁性納米流體流速的回歸方程，發(fā)熱元件表面均溫與Fe3O4磁性納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的回歸方程。

3? 結(jié)論

在以Fe3O4水基磁性納米流體為介質(zhì)的微通道散熱分析中，通過Fluent仿真，針對相同物理形式的微通道，在不同體積分?jǐn)?shù)下的Fe3O4水基磁性納米流體、不同流速下的熱源的均溫進(jìn)行了仿真分析，通過對仿真得到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到以下結(jié)論。①磁性納米流體中Fe3O4納米顆粒所占體積分?jǐn)?shù)對微通道散熱器散熱能力的提升與發(fā)熱芯片表面溫度的均勻性具有一定影響。②磁性納米流體的流速對微通道散熱器散熱能力的提升與發(fā)熱芯片表面溫度均勻性有顯著影響。③得到了Fe3O4磁性納米流體的體積分?jǐn)?shù)對基液散熱能力影響的曲線，求解出發(fā)熱元件表面均溫與Fe3O4磁性納米流體流速的回歸方程。④給出了Fe3O4磁性納米流體的流速對基液散熱能力影響的曲線，求解出發(fā)熱元件表面均溫與Fe3O4磁性納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的回歸方程。

參考文獻(xiàn)：

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