基于CFD的散熱器性能仿真及實驗對比分析

唐 琳，何 丹，譚禮斌，黃 燦

(隆鑫通用動力股份有限公司 技術中心，重慶 400039)

隨著科技的發(fā)展，產(chǎn)品功率的不斷提升和設計緊湊化趨勢引發(fā)散熱不足問題，會導致產(chǎn)品工作性能的嚴重下降[1-2]。為了保證冷卻系統(tǒng)的散熱性能，許多學者運用數(shù)值計算的方法對散熱冷卻系統(tǒng)或散熱零部件進行了研究。溫嘉斌等[3]研究了風扇葉片對風扇性能的影響，從而探究風扇對冷卻系統(tǒng)冷卻能力的提升效果。閆紅杰等[4]采用Fluent研究了換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱性能的影響。楊維平等[5]采用Fluent研究了冷卻風扇結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻系統(tǒng)風量的影響，為冷卻系統(tǒng)冷卻性能提升提供了參考。謝俊民等[6]采用GT-SUITE 中的 GT-COOL 模塊搭建了冷卻系統(tǒng)散熱器模型，分析了系統(tǒng)的溫度、壓力及速度場，獲得了冷卻系統(tǒng)散熱器的工作特性。由此可見，基于計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)方法已廣泛應用于散熱器性能的預測中，快速獲取并評估散熱器性能，縮短終端產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本[7-12]。

散熱器性能與終端產(chǎn)品的散熱冷卻密切相關。CFD仿真分析可快速對散熱器性能進行評估，以判斷散熱器結(jié)構(gòu)設計方案的可行性。因此，采用CFD 技術進行散熱器流場模擬及性能評估已成為趨勢。為避免產(chǎn)品冷卻系統(tǒng)工作過程中出現(xiàn)散熱不足而導致產(chǎn)品功率及性能下降問題，本文選取散熱器為研究對象，基于計算流體力學方法，采用STAR-CCM+軟件對散熱器性能進行仿真預測，并結(jié)合葉輪風速儀和散熱器風洞實驗測試，驗證散熱器性能預測模型及尋求最佳的散熱器風量測試方式。研究思路及實驗測量方法可為散熱器同行業(yè)人員提供參考，且研究結(jié)果可為散熱器性能的評估及改進提供仿真數(shù)據(jù)支撐及理論指導。

1 散熱器CFD分析

1.1 物理模型

該散熱器3D模型按照實物等比例構(gòu)建，然后導入流體仿真分析軟件STAR-CCM+進行散熱器計算域模型的搭建。搭建完成后各部件示意圖如圖1所示。為簡化計算模型，散熱器等效為多孔介質(zhì)區(qū)域。采用多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格對計算域進行網(wǎng)格劃分，同時采用圖2所示的局部體加密及網(wǎng)格細化操作完成計算域網(wǎng)格模型的劃分，網(wǎng)格劃分完成后如圖3所示。計算域網(wǎng)格總量約為700萬。

圖1 散熱器性能計算域模型各部件示意圖

圖2 局部加密示意圖

圖3 計算域網(wǎng)格示意圖

1.2 數(shù)學模型及邊界條件

假設空氣在計算域模型內(nèi)的流動為不可壓縮的湍流穩(wěn)態(tài)流動，流體流動遵守流體三大基本控制方程，即連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程[13-14]。湍流計算模型選擇為k-ε兩方程湍流模型，計算域的壁面參數(shù)采用推薦的Two-Layer All y+Wall Treatment 設置。壓力、速度耦合采用 SIMPLE 算法，采用壓力基求解器(pressure-based)求解[15]。風扇的旋轉(zhuǎn)通過采用旋轉(zhuǎn)參考系(moving reference frame,MRF)方法實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)速度為2 100 r/min。散熱器外計算域block的入口邊界設置為滯止入口，壓力為0；出口邊界設置為壓力出口，壓力為0；環(huán)境溫度為30 ℃，環(huán)境壓力為標準大氣壓(101 325 Pa)，空氣考慮為理想氣體。為了簡化計算模型，散熱器簡化為多孔介質(zhì)區(qū)域。多孔介質(zhì)的阻力參數(shù)通過圖4的散熱器單品風阻性能測試數(shù)據(jù)擬合獲得。慣性阻力和黏性阻力設置為Pi=(152 000，152 000,152)；Pv=(560 560，560 560,560.56)(分別表示X,Y,Z方向，表明風主要由Z向通過)。

圖4 散熱器單品風阻性能測試數(shù)據(jù)擬合

2 散熱器性能測試

2.1 葉輪風速儀測試

風速測量一般常用的有激光多普勒(LDV)，畢托管，熱線風速儀以及葉輪式風速儀等 方式。與其他測量方式相比，葉輪式風速儀測量方式具有特定方向風速可測量、容易搭載以及可靠性高等明顯優(yōu)勢。本研究選用的是東京計裝株式會社生產(chǎn)的RF-1000葉輪式風速測量系統(tǒng)，如圖5所示。RF-1000葉輪式風速測量系統(tǒng)組成部分有葉輪傳感器、光纜、RR5000B信號演算器、RS232信號轉(zhuǎn)換器以及數(shù)據(jù)采集所用的計算機和專用軟件等。

圖5 RF-1000散熱器風速測量系統(tǒng)

根據(jù)測試散熱器的芯體有效換熱面形狀可以把測試面分成若干個面積相等的區(qū)域小塊，每個區(qū)域小塊的中心位置就是測點位置。為求得通過散熱器芯體表面的平均流速，需要先把芯體矩形有效換熱面分成若干個面積相等的區(qū)域小塊，并使各個小塊趨近正方形，如圖6所示。各小矩形的中心點即為流速測量點，則各個小矩形的流量Qi=viAi(Qi表示小矩形的流量，vi為第i個傳感器的流速，Ai為傳感器所在矩形的面積)，然后把各個小矩形的流量進行求和，即Q=∑Qi。

圖6 散熱器流通矩形斷面測點布置分區(qū)圖

本研究采用16個葉輪風速儀(大葉輪風速儀6個，小葉輪風速儀10個)對散熱器流通面進行合理布置，共確定6種葉輪風速儀測點布置方案，如圖7所示。確定測點位置后，用螺桿將測試所用葉輪傳感器聯(lián)結(jié)并固定在測試架上，然后把測試支架固定在散熱器前，在連通傳輸光纜后即可進行數(shù)據(jù)采集。

圖7 6種不同的測點布置方案

2.2 散熱器風洞測試

采用圖8所示的散熱器風洞進行散熱器單品性能的測試。其測試原理是當流體通過風洞的節(jié)流裝置噴嘴時，根據(jù)流體力學守恒定律和連續(xù)性方程，測量噴嘴前后所產(chǎn)生的壓差來計量空氣流量大小。其中通過單個噴嘴的流體流量為

圖8 散熱器單品風洞測試

(1)

式中：Q為通過噴嘴的流體流量，m3/h;C為噴嘴流量系數(shù);A為噴嘴喉部面積，m2;Δp為噴嘴前后的靜壓差，Pa;ρ為噴嘴喉部的流體密，kg/m3。

3 CFD結(jié)果分析與實驗對比

3.1 葉輪風速儀測試結(jié)果

圖9所示為6種葉輪風速儀布置方案的散熱器風量測試結(jié)果。從圖中可以看出，隨著葉輪數(shù)量的逐漸增多，經(jīng)換算的散熱器風量開始趨于平緩，葉輪風速儀14個和16個的散熱器風量值基本一致，表明散熱器風量值已趨于穩(wěn)定，該狀態(tài)獲得的測試風量值可用于與CFD分析結(jié)果進行對比分析。

圖9 散熱器風量測試結(jié)果

圖10為風速儀結(jié)構(gòu)，圖11為散熱器矩形單元凈流通有效面積。因安裝傳感器使測試流道的凈流通面積減少，在設定流量不變的情況下，導致各個測點處的流速增加，所以流通面積不加修正時，流量計算結(jié)果會偏大。流通面積修正公式為

圖10 風速儀結(jié)構(gòu)介紹

圖11 散熱器矩形單元凈流通有效面積

Ac=Ao-A1-A2-A3-A4-A5-A6

(2)

式中：Ac為凈流通單元有效面積；Ao為流道的單元橫截面面積；A1為傳感器葉輪輪殼面積；A2是傳感器葉輪聯(lián)結(jié)桿的面積；A3為傳感器葉輪中心聯(lián)結(jié)塊的面積；A4為傳感器安裝螺桿的面積；A5為葉輪安裝連接塊的面積；A6是光纜線速的投影面積。

表1為散熱器冷卻風量的換算及與葉輪風速儀測試的誤差。從表中可以看出，風速平均(未修正流通面積)的誤差較大。3種換算公式下，流量平均獲得的CFD結(jié)果與葉輪風速儀的測試結(jié)果誤差最小，但16個葉輪風速儀的誤差約為16%。造成這種現(xiàn)象的原因可能是：①測量點還應細化；②葉輪風速儀測得的風速偏大；③數(shù)據(jù)統(tǒng)計誤差的存在。

表1 散熱器冷卻風量的換算及誤差分析結(jié)果

3.2 散熱器風洞測試對比

圖12為布置16個葉輪風速儀的散熱器流動與阻力特性，在v=8 m/s(風量3 736.4 m3/h)的時候，葉輪風速儀傳感器的流動阻力均在17 Pa左右，而散熱器的阻力為510 Pa，即安裝16個葉輪風速儀傳感器的阻力占散熱器的阻力在3%左右，可見其流動阻力非常小。散熱器風洞測試時可忽略葉輪風速儀阻力對風量結(jié)果的影響。圖13為散熱器單品性能測試結(jié)果，16個葉輪風速儀換算的風量與風洞風量誤差在6%左右，14個葉輪風速儀換算的風量與風洞風量誤差在8%左右。表明散熱器風洞測試獲得的風量值與CFD預測結(jié)果(換算風量)吻合程度較高，驗證了CFD分析模型的準確性，同時說明散熱器風洞具有較高的測試精度。散熱器單品性能測試最佳選擇是采用專業(yè)散熱器風洞實驗設備測試。

圖13 散熱器風洞風量測試結(jié)果與CFD換算風量對比

4 結(jié)論

基于計算流體力學方法，運用STAR-CCM+的多孔介質(zhì)模型對散熱器風量進行了仿真計算，并對計算得到的結(jié)果與散熱器風量測試結(jié)果進行了分析比較。仿真的結(jié)果反映CFD換算風量值與葉輪風速儀測得的散熱器風量值誤差約為16%，與散熱器風洞測試的風量值誤差約為7%。CFD預測結(jié)果具有一定的精度，葉輪風速儀測試風量偏大的原因為測試風速值偏高和存在統(tǒng)計誤差(測點少)，散熱器風量測試的最佳方法為散熱器風洞實驗。研究結(jié)果可為散熱器性能評估及實驗測試提供理論參考。