基于FC-770的板翅式液冷冷板的熱設計與熱分析

李佳欣，劉 欣，鞏萌萌，王領華

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

隨著飛行器朝向多電/全電化的發(fā)展以及機電性能的不斷提升，機載電子設備數(shù)量越來越多，其發(fā)展趨勢也呈現(xiàn)出來高集成度、微型化和模塊化方向，且工作功率也在不斷增大，伴隨而來的是熱負載和熱流密度的不斷升高，因此，要滿足機載電子設備在整個飛行任務周期能夠安全、可靠的運行，高效的熱控系統(tǒng)是未來多電/全電飛行器的必要組成部分[1-2]。液冷冷板由于其緊湊的結(jié)構(gòu)，以及能夠?qū)⒁后w和電子設備分離的特性，不僅提高了電子設備冷卻系統(tǒng)的安全性還極大的強化了換熱能力，近年來成為了飛行器主動液冷系統(tǒng)的主要組成部分[3]。

在電子設備運行時，熱功率會有損失，這種損失通常是以熱能消耗的方式表現(xiàn)出來的，而所有擁有電阻的元器件都相當于一個內(nèi)部熱源。在電子設備運行工作時，器件自身的溫度會因為功率的損失而上升，此時電子設備周圍的環(huán)境溫度同樣也會影響電子設備的內(nèi)部溫度，因而影響到電子器件工作時的可靠性。在電子行業(yè)，設備元組件的環(huán)境溫度每升高10攝氏度時，通常失效的概率會加大一個數(shù)量級，即人們所說的 “10 ℃法則”。伴隨著微電子技術的前進發(fā)展，電子設備的熱控設計受到人們的關注程度越來越大。當前，針對電子設備安全工作的溫度多數(shù)定為不高于85 ℃[4]，對于一些特定的精密電子設備則要求更高，如鋰離子電池組等，工作溫度為20～45 ℃之間，高于55 ℃則停止工作[5-6]。此外，對于電子設備工作溫度的均勻性也具有極為嚴格的要求，一般來說，電子設備整體的工作溫差要滿足低于3 ℃的要求[7-9]。因此，針對機載電子設備的熱控系統(tǒng)具有越來越高的需求，而準確的散熱分析是電子設備的可靠性運作保證的至關重要的前提[10-11]。

數(shù)值傳熱學以及計算機技術高速發(fā)展，以離散數(shù)學、數(shù)值求解為基礎的數(shù)值求解方法成為現(xiàn)在熱控分析的主要方法。這種方法能夠高效、快速地求解復雜的情況，同時可以直觀地表現(xiàn)出電子設備的溫度分布。數(shù)值求解的主要方法為：有限體積法(FVM，finite volume method)；有限元法(FEM，finite element method)[12]；有限差分法(FDM，finite difference method)。有限元數(shù)值模擬技術在計算機仿真計算中采用較為普遍[13-15]。有限元法的數(shù)學基礎為廣義變分原理。這種方法能夠解決相對較為復雜的幾何模型，能夠加密某些特定區(qū)域(溫度梯度較大、最高溫度處、需要邊界層等)的網(wǎng)格，這種方法的計算精度比較高。但是，相比于有限差分法，不夠靈活多變，有時需要解決較為復雜的線性方程組，這樣就會占用大量的計算機內(nèi)存，對計算機配置要求較高，同時，在計算過程，也會花費大量的處理時間[16-18]。

液冷技術發(fā)展的初始階段，利用了基本的制造工藝，傳統(tǒng)的制作材料，導熱率良好的銅和鋁是最為常用的兩種基底材料，凹槽是用數(shù)控機床加工而成，從而得到各種形狀的液體流通管道，液體冷卻介質(zhì)在槽道內(nèi)流動，從而帶走電子設備內(nèi)部熱源散發(fā)出的熱量[19-20]，當前，F(xiàn)-22的CIP和F-35的ICP上已成功應用了這種液冷冷卻技術。

如今，多種液冷工質(zhì)已經(jīng)應用于液冷冷板的工程應用中[21]。3M氟化液FC-770，該制冷劑是以全氟液為主要工業(yè)傳導液的，具有良好熱穩(wěn)定性。因為FC-770的化學惰性，能夠用于單相或者二相的液冷劑，可以用在超級計算機系統(tǒng)和軍用的敏感電子元器件的散熱系統(tǒng)中。由于其很高的絕緣性，能夠用于高壓變壓器和高功率電子元器件的散熱。在半導體行業(yè)，F(xiàn)C-770通常用于蝕刻設備、離子注入設備，化學氣相沉積的恒溫液冷劑。此外，F(xiàn)C-770的傾點很低，因此能夠用到冷熱沖擊試驗和其他多種測試。

本文針對機載大功率電子設備進行了基于工質(zhì)FC-770的板翅式液冷冷板的熱設計，采用計算流體力學(CFD，computational fluid dynamics)數(shù)值模擬的計算技術對所設計的板翅式液冷冷板進行多工況的熱性能仿真計算，并對仿真結(jié)果開展了數(shù)據(jù)分析，為多電/全電飛行器的機載電子設備液冷技術和數(shù)據(jù)的工程應用發(fā)展提供了有力的支撐。

1 板翅式液冷冷板熱設計及模型搭建

1.1 板翅式液冷冷板的熱設計方案

冷板作為大熱流密度電子設備集熱、排熱、傳輸熱量的高效、高可靠性熱控技術手段，廣泛應用于航天、航空、通信等眾多領域，冷板的熱性能則是熱設計環(huán)節(jié)中最為關鍵的參數(shù)指標，其次，為了滿足航天、航空飛行器在重量上的減重要求，一般會在滿足熱性能的前提下，盡可能地輕量化。一般采用鋁合金作為冷板的材料，其具有輕質(zhì)、剛性強、和眾多工質(zhì)不具相容性、耐腐蝕等眾多優(yōu)勢。

為了增強換熱能力，在和設備接觸面積固定、冷板厚度固定的情況下，為了增大冷板內(nèi)部工質(zhì)流道內(nèi)固、液交界面的換熱面積，會采用在流道內(nèi)增設翅片的方式，即板翅式冷板，從而通過增大固體與液體工質(zhì)散熱面積的方式來提升換熱能力，從而帶走更多電子設備的廢熱。而為了減小流體回路的泵耗能，可以從減小冷板、管路、閥組內(nèi)的流動阻力入手，而冷板內(nèi)的翅片布局則充分考慮到了這點，在流動轉(zhuǎn)彎的區(qū)域設計布局成為了階梯狀，進一步減小了流體工質(zhì)在冷板內(nèi)的流動阻力。

液冷冷板如圖1所示。冷板整體尺寸為0.23 m×0.25 m×0.01 m(長×寬×厚)的矩形，工質(zhì)入口和工質(zhì)出口在冷板的同一方向，為增強換熱能力，在液體工質(zhì)槽道中設計使用了強化換熱的翅片。

圖1 液冷冷板示意圖

1.2 有限元網(wǎng)格劃分

有限元前處理網(wǎng)格劃分工作采用的是ANASYS公司的ICEM CFD商業(yè)軟件，該軟件是一個數(shù)值仿真計算前后設置的軟件，包括了幾何模型建立，網(wǎng)格劃分，預設定初始條件設定，后設定等功能。在CFD領域，功能優(yōu)勢比較明顯，被廣泛應用于流、固、熱耦合的數(shù)值計算當中。

依據(jù)有限元法離散化控制方程的數(shù)值模擬計算中，網(wǎng)格劃分是極為關鍵的一步，網(wǎng)格的質(zhì)量與數(shù)量，關系到計算結(jié)果的精確度與計算時間的長短。網(wǎng)格，即在求解區(qū)域內(nèi)一些離散的點，CFD通過離散化控制方程，使用數(shù)值方法得到網(wǎng)格節(jié)點上的數(shù)據(jù)，如：壓力、速度、溫度等等，即數(shù)值解。為能夠在生成網(wǎng)格過程，以及在后設定中與幾何模型的緊密關聯(lián)，根據(jù)本文的研究對象，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、O型網(wǎng)格技術對冷板進行了網(wǎng)格劃分工作，不僅可以提高計算精度與速度，還可以使得網(wǎng)格質(zhì)量更高。

液冷冷板網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。因為液冷冷板工質(zhì)槽道存在液體的流動，因此，在槽道邊界處進行了網(wǎng)格加密處理，以模擬仿真結(jié)果的準確性。最終，網(wǎng)格生成數(shù)量為3.5×105。

圖2 液冷冷板網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖

液冷冷板模型是由固體區(qū)域和流體區(qū)域兩部分結(jié)合而成的，因此，在固液交界面出需要添加邊界層。在網(wǎng)格生成過程的做法就是使固液交界面處的網(wǎng)格變得較其他區(qū)域的網(wǎng)格更加密集一些，這樣在導入Fluent軟件進行計算時，計算精度會比較高，同時在液體流動變化比較劇烈的區(qū)域也加密網(wǎng)格；相對來說，在流體流動區(qū)域變化不明顯的區(qū)域可以粗化網(wǎng)格，在純固體區(qū)域也可以粗化網(wǎng)格，這樣可以減少網(wǎng)格規(guī)模，提高計算速度。

對流體近壁面流動區(qū)域網(wǎng)格進行合理性檢查。在紊流流動情況中，普遍存在Wall Y plus。Y plus的值合理，意味著網(wǎng)格中的第一層邊界網(wǎng)格布置得較為合理，Y plus值對傳熱特性的影響較大，因此要合理控制Y plus的值。Y plus是由solver解出來的結(jié)果，在網(wǎng)格劃分時，第一層網(wǎng)格通常布置到對數(shù)分布律成立的范圍，本文的液冷冷板的范圍在20以下即算合理。通過對流體的主要流動區(qū)域(part的定義為repian)預算，得到的Wall Y plus值如圖3所示。

圖3 流體近壁面流動區(qū)域Wall Y plus值示意圖

由圖3可知，本文針對的液冷冷板的模型在近壁面處的Y plus值處于合理范圍內(nèi)，可以進行具體的數(shù)值模擬與計算。

1.3 模型、材料、邊界條件及工況設定

本文采用ANASYS公司的商業(yè)流體仿真軟件FLUENT對液冷冷板進行了熱仿真分析，具體模型、材料及工況的設定如下所述。

1.3.1 模型設定

本文采用FLUENT自帶的計算模型即可，主要采用的模型為：

1)能量方程模型(energy equation)；

2)紊流模型。Model選擇k-epsilon；k-epsilon Model選擇Standard；近壁面紊流計算函數(shù)(near-wall treatment)選擇增強壁面函數(shù)(enhanced wall treatment)。

1.3.2 材料設定

1)冷板采用鋁制材料，參數(shù)采用FLUENT軟件自帶的參數(shù)數(shù)據(jù)包即可。

2)液冷冷板中的液冷介質(zhì)為3M氟化液FC-770，物性參數(shù)如表1所示。

表1 FC-770物性參數(shù)

由于Fluent軟件自帶的流體沒有FC-770相關的參數(shù)，因此，通過增加新的流體數(shù)據(jù)以解決液冷劑的設定，然而，F(xiàn)C-770液冷劑的參數(shù)都是隨溫度而變化的，因此采用如下關系式對FC-770參數(shù)進行設定，因為FLUENT軟件使用華氏度(K)為溫度單位，因此，對參數(shù)定義是進行了溫度轉(zhuǎn)換。

1)比熱(J/kg℃)：

Cp=997+1.615t(℃)

(1)

轉(zhuǎn)換為華氏度(K)的公式為：

Cp=555.862 75+1.615T(K)

(2)

2)密度(kg/m3)：

ρ=1 860-2.66t(℃)

(3)

轉(zhuǎn)換為華氏度(K)的公式為：

ρ=2 586.579-2.66T(K)

(4)

3)運動粘度(kg/m3)：

FC-770粘度隨溫度的變化曲線如圖4所示。

圖4 FC-770粘度隨溫度變化曲線示意圖

(5)

轉(zhuǎn)換為華氏度(K)的公式為：

μ=0.103-8.683 02e-4T+

2.479 38e-6T2-2.390 31e-9T3(K)

(6)

4)導熱率(W/kg·K)：

導熱率只需根據(jù)表 1查取即可，即0.063(W/kg·K)。

1.3.3 邊界條件及工況設定

1)工質(zhì)入口流速：0.302 9 kg/s；

2)工質(zhì)入口初始壓力：201 325 Pa；

3)液冷冷板總加熱量為450 W，冷板兩面，熱流密度為3 913.04 W/m2；

4)液冷工質(zhì)FC-770入口溫度設定5種不同工況，分別為：工況一，-40 ℃(233.15 K)；工況二，-20 ℃(253.15 K)；工況三，0 ℃(273.15 K)；工況四，25 ℃(298.15 K)；工況五，45 ℃(318.15 K)。

2 液冷冷板數(shù)值計算結(jié)果與分析

本文所設計的板翅式液冷冷板的數(shù)值計算所采用的是流體流動與熱交換計算商業(yè)軟件ANASYS Fluent對其熱性能進行數(shù)值模擬計算。主要對不同液體制冷劑不同入口溫度進行數(shù)值模擬計算，入口溫度分別為233.15 K、253.15 K、273.15 K、298.15 K、318.15 K。本節(jié)內(nèi)容分別對5個工況下切面溫度、加熱面溫度、液冷劑流速以及流體域壓力分布進行數(shù)值模擬計算，并依據(jù)數(shù)值計算結(jié)果數(shù)據(jù)開展熱設計合理性與熱性能的分析。

圖5～9為工況一到工況五仿真結(jié)果云圖，包括：切面溫度云圖，加熱面溫度云圖，液冷劑速度云圖以及流體域壓力云圖，(云圖左側(cè)為液冷冷板流體工質(zhì)的出口位置，右側(cè)為液體工質(zhì)的入口位置)。

圖5 進口溫度233.15 K數(shù)值模擬結(jié)果圖

圖5為工況一(流體工質(zhì)入口溫度為233.15 K)的仿真分析結(jié)果云圖。

由圖5(a)可知，流體工質(zhì)流經(jīng)液冷冷板，在外部電子設備熱耗加熱后，液體工質(zhì)在流出冷板出口后，溫度有明顯上升，出口溫度為235.54 K，溫升為2.39 K，電子設備的廢熱以此由液冷冷板帶走。圖5(b)為液冷冷板加熱面的溫度分布云圖，由圖中可以看出，流體工質(zhì)入口方向，即圖中液冷冷板右側(cè)溫度較低，靠近出口方向，即圖中也冷冷板左側(cè)方向溫度較高，溫度由右側(cè)向左側(cè)呈現(xiàn)出溫度逐漸升高的梯形分布。結(jié)合圖5(a)切面溫度云圖和圖5(b)加熱面溫度云圖可知，液冷冷板在由外側(cè)電子設備加熱后的溫度呈現(xiàn)出合理的分布和溫度變化趨勢。

由圖5(c)液體工質(zhì)速度云圖可以知道，整個流體區(qū)域的速度都比較平緩，但在冷板內(nèi)部流道的轉(zhuǎn)彎處，會出現(xiàn)局部的速度增大區(qū)域，是因為在冷板內(nèi)部流道的轉(zhuǎn)彎處流動區(qū)域有所減小，導致速度增大。圖5(d)為整個液冷冷板的壓力分布云圖，由圖中可以明顯看到，流體工質(zhì)流經(jīng)整個液冷冷板后，壓力具有明顯的下降，且在每次經(jīng)過冷板內(nèi)部流道的轉(zhuǎn)彎處會有明顯的壓力下降的變化。出現(xiàn)該種情況，是因為在冷板內(nèi)部流道的轉(zhuǎn)彎處，流道變窄，流阻增大，導致的壓力下降。結(jié)合圖5(c)流體工質(zhì)的速度分布云圖和圖5(d)流體工質(zhì)的壓力分布云圖對比分析可以知道，在流道轉(zhuǎn)彎處壓力的降低和速度的增大是合理的，依據(jù)伯努利定理關系，該情況也可應證，伯努利方程如式(7)所示，當重力影響可以忽略時，則由式(8)定義該關系。

(7)

(8)

圖6～9為工況二至工況五的數(shù)值方正計算結(jié)果云圖，其分布狀態(tài)和變化趨勢與工況一類似，因邊界條件的不同，僅在數(shù)值上有所區(qū)別，數(shù)值結(jié)果的分析結(jié)論與工況一類似，故僅給出各工況的云圖分布情況，不做過多說明和分析。具體分布云圖情況如下所示。

圖6 進口溫度253.15 K數(shù)值模擬結(jié)果圖

圖7 進口溫度273.15 K數(shù)值模擬結(jié)果圖

圖9 進口溫度318.15 K數(shù)值模擬結(jié)果圖

表2為5種工況下板翅式液冷冷板的溫度、工質(zhì)流速和壓力數(shù)據(jù)，板翅式液冷冷板的進口溫度、出口溫度、最大溫度、最小溫度、工質(zhì)的流動速度以及冷板出口壓力隨工質(zhì)入口溫度變化的曲線如圖10所示。

表2 不同工況下冷板溫度、速度、壓力值域范圍

可以看出，隨液冷劑進口溫度的提高，出口溫度、整個冷板溫度的最小值以及最大值都提高，流體域的速度提高，出口的壓力都在降低。出口溫度相對于進口溫度都會升高，溫差(出口溫度-進口溫度)分別為：2.39 K，2.12 K，1.85 K，1.45 K，1.38 K。根據(jù)能量守恒方程(冷板吸收的熱量=溫度升高所需的熱量)知，溫升的值是合理的；隨液冷劑進口溫度的提高，溫升的值處于降低趨勢。整個板翅式液冷冷板的最大溫差低于3 ℃，符合電子設備溫度均勻性要求。

液冷工質(zhì)進口溫度為318.15 K是電子設備液冷機箱液冷劑進口的最高溫度，在此溫度下，整個冷板最高溫度為324.094 7 K，即50.944 7 ℃。當整個冷板的最高溫度小于55 ℃時，即可以認為電子設備能夠處于穩(wěn)定、可靠的運行環(huán)境，且整個液冷機箱散熱系統(tǒng)的散熱性能相對比較高效。

根據(jù)速度圖像，可以看出整個流體區(qū)域的速度都比較平緩，但在冷板內(nèi)部流道的轉(zhuǎn)彎處，會出現(xiàn)局部的速度增大區(qū)域，是因為在冷板內(nèi)部流道的轉(zhuǎn)彎處流動區(qū)域有所減小，導致速度增大。今后可以在冷板內(nèi)部流道的轉(zhuǎn)彎處的設計，可以加寬轉(zhuǎn)彎處的流體區(qū)域，使流體進入彎道區(qū)域流動會相對平緩一些，以解決轉(zhuǎn)彎處流速大幅度增大的問題，從而進一步優(yōu)化冷板內(nèi)部流道的翅片排列設計。

根據(jù)壓力云圖和曲線可知，板翅式液冷冷板的出口壓力隨液體工質(zhì)入口溫度的升高而降低，出口壓力則相對入口壓力均有所下降，壓力在冷板內(nèi)部流道的轉(zhuǎn)彎處會有明顯的壓降。進出口存在壓力差，且進口壓力明顯高于出口壓力，整個板翅式液冷冷板的壓力差分別為：59 923.13 Pa，57 390.02 Pa，55 697.74 Pa，55 500.92 Pa，53 890.10 Pa，隨液冷劑進口溫度的提高，壓差的值處于降低趨勢。

綜上所述，電子設備板翅式液冷冷板設計合理，液冷工質(zhì)采用FC-770滿足性能需求，散熱的方式是安全、可靠、高效的冷卻方式，能夠給予機載大功率電子設備安全、穩(wěn)定、可靠的運行環(huán)境，為板翅式冷板設計和熱控技術的發(fā)展提供了有力的支撐。

3 結(jié)束語

當今先進飛行器多向多電/全電化發(fā)展，機載電子設備的集成度、小型化程度也越來越高，所面臨的難題便是熱流密度越來越大所帶來的溫度越來越高，而電子設備要高效、可長時間的穩(wěn)定運行，就要確保電子設備工作在一個合理的溫度范圍內(nèi)，因此熱管理系統(tǒng)成為當前飛行器關鍵系統(tǒng)之一。

為了滿足當前先進飛行器的熱控需求，本文針對機載大熱流密度電子設備的熱控需求，文中開展了一種基于FC-770工質(zhì)的板翅式液冷冷板的結(jié)構(gòu)熱設計工作，搭建了板翅式液冷冷板的三維模型，采用CFD數(shù)值模擬的計算方法對所設計的板翅式液冷冷板進行了熱仿真，分析了液冷冷板在不同工況下的熱性能參數(shù)。

基于數(shù)值仿真的計算結(jié)果開展了數(shù)據(jù)分析，針對當前機載大功率電子設備450 W的散熱需求，液冷工質(zhì)入口溫度在318.15 K以下，均可滿足電子設備55 ℃安全、高效工作的需求[5-6]。此外，整個板翅式液冷冷板的最大溫差均控制在3 ℃以內(nèi)，符合對機載大功率電子設備在溫度均勻性上的設計要求。

本文所設計搭建的基于液體冷卻工質(zhì)FC-770板翅式液冷冷板，為機載大功率電子設備冷板技術的散熱設計提供了有效的技術指導，為液冷散熱技術提供合理的數(shù)據(jù)支撐。