雙層多形狀支流道冷板的性能分析

李 健，房 磊，孔俊濤，葛 鷹

（1.常州大學機械工程學院，江蘇 常州 213164；2.常州賀斯特科技股份有限公司，江蘇 常州 213127）

1 前言

隨著軍事科技的不斷發(fā)展，高科技雷達被廣泛運用，雷達組件的熱流密度越來越高，對其散熱性能的要求也越來越高。可行的冷卻方式、良好的散熱性能已經成為整個雷達組件擁有高可靠性指標的重要支撐[1]。

在大功率和高熱流密度電子設備的使用中，僅僅通過風冷很難滿足電子設備的冷卻要求，液冷冷板的散熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的風冷散熱，為電子設備的散熱方式提供了更有效的選擇。

近年來，國內外學者對液冷冷板的散熱性能進行了多方面的分析與試驗。文獻[2]通過改變散熱齒的結構，使冷板具有更完善的散熱性能。文獻[3]研究了具有多條支路流道的冷板，具有較好的散熱性能。文獻[4]提出了并行流道能增強散熱性能的設計理論。

文獻[5]提出使流體沿U方向流動，增加入口的數(shù)量，產生內部湍流，都能增強換熱性能。不止于單層流道的研究，更多學者開始涉獵雙層流道。文獻[6]設計了一種雙層微通道熱沉結構，對流道結構進行了優(yōu)化。

文獻[7]提出了一種新型散熱器，對不同的基質材料、納米流體進行了詳細的數(shù)值研究。由此可見，微通道液冷技術得到了廣泛關注，并已擴展到雙層流道結構的設計，合理的流道布局可以大大改善冷板的散熱性能。

為了進一步研究冷板內置流道對換熱性能的影響，設計了三種形狀的單雙層內置流道，利用ICEPAK仿真軟件分析換熱性能，并通過試驗進行驗證。

2 計算模型

2.1 物理模型

該新型兩進兩出冷板的最大外形尺寸為200mm×100mm×10mm，材質為6061-T6鋁，正反面各對稱裝有三塊組件（簡稱為熱源），如圖1所示。

圖1 散熱冷板的模型圖Fig.1 Model of Cooling Plate

熱源緊貼著冷板，中間兩塊熱密度集中的熱源功率為100 W（熱源1），熱源1尺寸為（35×30×2）mm，其余四塊熱源功率為5W（熱源2）（20×20×2）mm。

式中：S—主流道的橫截面積，m2；Si—各個支流道的橫截面積，m2。式中范圍值取2，單層支流道n取8，雙層支流道n取16；S—40×4mm2，故支流道總的橫截面積為80mm2。

在40℃的環(huán)境溫度下，保證每種形狀支流道橫截面積相等，將矩形、梯形、圓形三種形狀的單雙層支流道分別布置在散熱區(qū)域，根據航空雷達組件的技術要求得保證冷板溫度不超過60℃。

圖2 流道局部剖視圖Fig.2 Local Cross-Sectional View of Runner

2.2 數(shù)值模擬分析

2.2.1 三維建模

該新型液冷冷板用CATIA軟件進行三維建模，在建模時，為了提高仿真效率，將對冷板換熱性能影響較小的結構進行了簡化，如螺釘孔、走線槽等。

2.2.2 參數(shù)計算

根據能量守恒定律可知，忽略熱傳遞的熱量損失，電子設備的熱損耗等于冷卻液帶走的熱量[8]，所以可得冷卻液的供液流量，公式表示為：

式中：DT—冷卻液進出口的溫差，℃；Q—電子設備的熱損耗，W；

CP—冷卻液的比熱容，J/（kg·℃）；ρ—冷卻液的密度，kg/m3；

V—冷卻液的流量，m3/s。

冷板中的冷卻液是在40℃下濃度為60%的乙二醇溶液，取冷卻液進出口溫差為DT=4℃，冷卻液密度ρ=1098kg/m3，冷卻液比熱容Cp=3171J/（kg·℃），電子設備的熱損耗Q=220W。所以可得該冷板中冷卻液的流量：

2.2.3 參數(shù)設定

將DM模塊簡化后的三維模型導入ICEPAK 中，對計算模型設置邊界條件：環(huán)境溫度和輻射溫度均設置為40℃，模型流態(tài)設置為Turbulent 模塊里的zero equation。默認冷板材質設置為Al-Extruded，默認冷卻液設置為Glycol-60。在冷板進出水口設置4個Opening，并設置兩個入口流量均為0.95L/min。按照物理模型設置熱源總功率為220W。網格劃分使用Mesher-HD 模塊。X、Y、Z三個方向的最大尺寸依次為0.5mm、0.8mm、0.6mm[9]。

3 單層支流道散熱性能分析

3.1 單層支流道仿真

首先將新型液冷冷板的支流道設計成單層矩形、圓形、梯形三種形狀，如圖3所示。

圖3 單層支流道截面圖Fig.3 Cross-Sectional View of Single-Layer Tributaries

在保證支流道總橫截面積都等于80 mm2的情況下，對三種不同形狀支流道的冷板進行仿真。

3.2 仿真結果分析

通過仿真得到三種單層支流道液冷冷板溫度云圖，如圖4所示。

三種不同形狀支流道的冷板的最高溫度都集中在熱源1附近，并且熱量向四周呈輻射狀發(fā)散，其中左右兩側的進水口的溫度最低。

圖4（a）中，單層矩形支流道冷板的最高溫度達到了64.1℃；其中單層圓形支流道冷板的散熱效果最好，表面最高溫度為61.9℃；單層梯形支流道處于兩者之間，表面最高溫度為63.5℃。由于圓形的當量直徑較小；梯形的形狀類似于波紋形，在支流道之間能形成二次流動，所以兩者的散熱效果相對較好，但是冷板的最高溫度均超過60℃，達不到散熱要求。

圖4 單層支流道溫度云圖Fig.4 Temperature Nephogram of Single-Layer Tributary Channe

4 雙層支流道散熱性能分析

4.1 流道結構優(yōu)化及仿真

在單層支流道設計的基礎之上，融入了雙層支流道的設計理念。在流道結構優(yōu)化的同時保證三種雙層支流道總的橫截面積均為80 mm2，如圖5所示。

圖5 雙層支流道截面圖Fig.5 Cross-Sectional View of Bilevel Tributaries

4.2 仿真結果分析

三種雙層支流道仿真結果的溫度云圖，如圖6所示。

圖6 雙層支流道溫度云圖Fig.6 Temperature Nephogram of Bilevel Tributaries

雙層矩形支流道冷板表面的最高溫度為60.4℃，雙層圓形支流道冷板和雙層梯形支流道冷板表面的最高溫度分別為58.4℃、58.5℃。雖然雙層矩形支流道冷板的表面溫度仍然超過60℃，但是相比于單層矩形結構的最高溫度降低了3.7℃，同時可以清晰地看出雙層支流道結構形式的散熱效果明顯優(yōu)于各種單層支流道。雙層圓形支流道和雙層梯形支流道冷板表面的最高溫度非常接近，雙層圓形結構僅比雙層梯形結構低了0.1℃。

通過分析壓力云圖來比較兩者的系統(tǒng)流阻，雙層梯形結構的系統(tǒng)流阻低于雙層圓形結構，如圖7所示。

圖7 壓力云圖Fig.7 Pressure Nephogram

綜合分析冷板的散熱效果和系統(tǒng)流阻，可以得出雙層梯形結構冷板的散熱性能最優(yōu)。

5 試驗分析

5.1 試驗設備

為了驗證六種支流道冷板散熱性能分析結果的準確性，搭建了熱測試工作臺，熱測試的主要器材包括：恒溫恒濕箱、數(shù)據采集儀、液冷源、溫度傳感器、接觸調壓器、流量計、熱電偶、水接頭、冷卻液、六種流道冷板及其固定支架等。

5.2 試驗方法

分別對六種方案進行試驗，把六個熱電偶按照模型位置貼裝在冷板兩面，通過接觸調壓器將熱電偶的功率調節(jié)成仿真軟件設置的熱源參數(shù)（熱源1為100W，熱源2為5W），把測溫點設置在熱源1的正中間，按圖8（熱測試試驗原理圖）所示，將試驗系統(tǒng)連通，調節(jié)環(huán)境溫度至40℃，調節(jié)進水溫度至40℃，調節(jié)冷板進口流量至0.95L/min。試驗中保證冷卻液循環(huán)流通，熱測試系統(tǒng)運行30min，把試驗數(shù)據的記錄梯度設置為一分鐘[9-10]。

圖8 熱測試試驗原理圖Fig.8 The Schematic Diagram of Thermal Test Experiment

5.3 試驗分析

六種方案的試驗數(shù)據變化曲線，如圖9所示。

圖9 六種方案的試驗數(shù)據折線圖Fig.9 Breakdown Chart of Test Data for Six Schemes

在試驗進行到20min時，六種方案冷板表面的最高溫度都趨于穩(wěn)定，單層矩形、雙層矩形、單層圓形、雙層圓形、單層梯形、雙層梯形結構表面的最高溫度依次趨近于63.5℃、59.6℃、61.2℃、57.8℃、62.8℃、57.7℃。

由此可以清晰地看出，各種結構雙層支流道的散熱效果明顯優(yōu)于單層支流道，其中雙層圓形與雙層梯形的散熱效果更佳。將試驗數(shù)據與仿真結果進行分析比對，由于存在測試誤差與仿真誤差，整體存在微小的范圍波動，但是兩者之間的分析結論具有一致性。

6 結論

（1）通過對試驗數(shù)據以及仿真數(shù)據的分析比對，兩者在忽略實際誤差時，可以完美的契合，證明了ICEPAK仿真軟件在電子設備熱設計階段的可靠性。

（2）通過ICEPAK仿真軟件和實驗分析相結合，研究表明，雙層支流道冷板的散熱效果明顯優(yōu)于單層支流道，能為電子設備的散熱提供設計依據。

（3）綜合分析冷板的散熱效果和系統(tǒng)流阻，結果顯示，雙層梯形支流道的散熱性能最佳。因此，今后的研究可以擴展到優(yōu)化梯形支流道內部結構以達到更好的散熱性能。