鐘凱強(qiáng), 韓飛, 焦永剛, 石向星
(石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 河北石家莊 050043)
機(jī)電系統(tǒng)在封閉包裝設(shè)計(jì)和高熱流密度的要求下不斷朝著小型化和集成化發(fā)展, 其熱管理問(wèn)題變得尤為重要, 亟需對(duì)微型設(shè)備采取一種高效的冷卻方式。微通道散熱器因比表面積大、 換熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)而成為最有效的散熱設(shè)備之一。 然而, 流動(dòng)是換熱的先導(dǎo), 微通道散熱器不同區(qū)域的流量不均勻分布成為影響其散熱性能的關(guān)鍵因素[1-4]。
近年來(lái), 對(duì)微通道散熱器中流量異常分布的研究主要集中在通道結(jié)構(gòu)的改變。 XU 等[5]對(duì)通斷微通道的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬, 發(fā)現(xiàn)將通道整體打斷后有利于平衡壓力, 各支管流量偏差小于40%。 藍(lán)永琪等[6]在通斷區(qū)域增設(shè)楔形肋, 其換熱能力比光滑微通道提高了24.57%。 陳濤等人[7]研究了矩形肋、 菱形肋、 三角形肋和圓形肋對(duì)流動(dòng)換熱的影響, 發(fā)現(xiàn)流體在肋片處產(chǎn)生渦流以提升流動(dòng)性能。 在上述研究中,通過(guò)對(duì)通道結(jié)構(gòu)和出入口參數(shù)進(jìn)行調(diào)整, 有效提高了散熱器質(zhì)量流量的均勻性。
微通道散熱器主要由通道和進(jìn)出口集流器兩部分構(gòu)成, 然而, 目前關(guān)于進(jìn)出口集流器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究還相對(duì)有限。 ANBUMEENAKSHI、 THANSEKHAR[8]研究了進(jìn)出口配置對(duì)流量分布不良的影響, 并指出散熱器的性能主要取決于集流器的幾何形狀。COMMENGE等[9]基于電阻模型優(yōu)化梯形形狀的集流器, 以獲得多通道流量均勻分布。 WANG 等[10]研究了集流器深度對(duì)流體分布的影響, 發(fā)現(xiàn)突出型集流器可以降低流量不均勻分配程度。 上述研究由于簡(jiǎn)化了進(jìn)出口條件, 存在高估散熱器性能的問(wèn)題。 SIDDIQ?UE 等[11]設(shè)計(jì)了一種啞鈴形狀的集流器, 以克服矩形集流器因高低速區(qū)造成的流量分布不良問(wèn)題。 但啞鈴形集流器的設(shè)計(jì)面積較大, 不利于工程實(shí)踐的應(yīng)用。范亮亮等[12]研究了變截面微通道中黏性流體顆粒高效分離問(wèn)題, 發(fā)現(xiàn)截面積變化可以改變彈性升力的方向, 增強(qiáng)顆粒受力; 古新等人[13]分析了導(dǎo)流板及其傾角對(duì)渦振性能的影響, 研究表明: 導(dǎo)流板可以改善繞流狀態(tài), 削弱斷面尾流的卡門渦脫, 這為設(shè)計(jì)新型集流器結(jié)構(gòu)提供了思路。
誘導(dǎo)換熱器各通道內(nèi)均勻分配流量是提高散熱器冷卻能力的有效途徑。 然而, 集流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式單一, 使得小通道間流量分配不當(dāng), 并嚴(yán)重影響了散熱器的流動(dòng)換熱性能。 本文作者以減小集流器尺寸及誘導(dǎo)提高流量分布均勻性為目的, 提出漸縮導(dǎo)流型集流器, 通過(guò)對(duì)集流器內(nèi)流體的高效規(guī)律性引流, 以期縮減流動(dòng)停滯區(qū)并充分利用流動(dòng)空間, 有效改善散熱器內(nèi)部流動(dòng)均勻性, 繼而提高其冷卻能力。
集流器結(jié)構(gòu)是影響微通道支管流量分布不良的重要因素。 為了改善通道內(nèi)質(zhì)量流量的分布情況, 文中測(cè)試了一種具有2 種集流器形狀的微通道散熱器, 如圖1 所示, 傳統(tǒng)集流器為矩形集流器結(jié)構(gòu)的微通道散熱器, 優(yōu)化集流器形狀后為漸縮導(dǎo)流型微通道散熱器。
圖1 集流器的微通道散熱器的幾何細(xì)節(jié)Fig.1 Geometrical details of collector microchannel radiator
此次優(yōu)化創(chuàng)新為: (1) 將微通道各支路異程流動(dòng)方式變?yōu)橥塘鲃?dòng)形式, 以克服各支路由阻力不均引起的水力失調(diào)。 所謂同程流動(dòng)是指流動(dòng)工質(zhì)從入口流向出口的過(guò)程中, 途經(jīng)各個(gè)支路的流程長(zhǎng)度相同,而異程流動(dòng)則相反[14]; (2) 根據(jù)伯努利效應(yīng)[15], 將集流器沿流體流動(dòng)方向不斷收縮截面以提高流動(dòng)速度, 從而改善集流器中因流速不均造成的高低速分布; (3) 在集流器邊壁上加設(shè)導(dǎo)流結(jié)構(gòu), 進(jìn)而產(chǎn)生二次流動(dòng)并將流體順導(dǎo)流導(dǎo)入支管中。 另外, 集流器尺寸的減少也降低了設(shè)備占地面積和流體在集流器中的停留時(shí)間。 該微通道散熱器由N個(gè)支管和N-1 翅片組成, 各支管編號(hào)如圖2 所示, 而微通道散熱器的所有尺寸見(jiàn)表1。
表1 微通道散熱器的幾何尺寸Tab.1 Geometric dimensions of microchannel radiator
圖2 微通道散熱器各支管編號(hào)示意Fig.2 Schematics of each branch number of microchannel radiator
采用ANSYS 軟件建立模型, 并對(duì)不同集流器下微通道的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。 為了研究集流器形狀對(duì)散熱器流量分配的影響, 做出如下假設(shè):
(1) 微通道材質(zhì)為硅, 流動(dòng)工質(zhì)為去離子水;
(2) 流體為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流;
(3) 水和硅的性能不受外界溫度和壓力的影響;
(4) 忽略重力和其他表面力作用。
依據(jù)上述假設(shè), 計(jì)算域的連續(xù)性、 動(dòng)量和能量方程如下:
式中:v為 流 體 流 速, m/s;ρ為 流 體 密 度,kg/m3;cp為流體定壓比熱容, J/(kg·K);kf為流體導(dǎo)熱系數(shù), W/(m·K);p為通道內(nèi)壓力, Pa。
上述控制方程采用有限體積法(FVM) 求解,動(dòng)量和能量方程采用二階迎風(fēng)格式離散, 壓力與速度耦合采用Simple 求解, 控制方程殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-15。 散熱器入口邊界條件為溫度恒定 (Tin=298 K), 流動(dòng)速度分梯度設(shè)置不同數(shù)值。 出口邊界條件為壓力出口, 出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。 同時(shí)在換熱器基底施加熱源, 其熱通量為100 W/cm2。
雷諾數(shù)Re定義為
其中:μ為流體動(dòng)力黏性系數(shù)。
微通道支管間質(zhì)量流量百分比偏差(Difference from Average) 定義為
其中:mcom,i為通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到的第i支管中質(zhì)量流量。
通道內(nèi)平均質(zhì)量流量m-定義為
微通道內(nèi)流量分的不均勻程度可以通過(guò)流量分布不均勻因子(The Maldistribution Factor) 來(lái)衡量, 其定義如下:
以優(yōu)化集流器下的微通道散熱器為例, 在入口流速為0.5 m/s 時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證, 散熱器在不同網(wǎng)格數(shù)下的流量分布不均勻因子如表2 所示。 考慮數(shù)值計(jì)算的計(jì)算精度和效率, 計(jì)算模型選用的網(wǎng)格數(shù)為5.170×105。
表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Tab.2 Grid independence verification
以傳統(tǒng)集流器下的微通道散熱器為例, 采用與文獻(xiàn)[16]一致的入口邊界條件進(jìn)行模型驗(yàn)證, 以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的精確性。 5 組不同入口流速下得到的FM模擬值與實(shí)驗(yàn)值的結(jié)果如表3 所示, 流量分布不均勻因子的偏差在合理的范圍內(nèi), 因而計(jì)算模型有較高的準(zhǔn)確性。
表3 模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of model results with experimental results
圖3 所示為入口流速0.5 m/s 時(shí), 傳統(tǒng)和優(yōu)化集流器下通道內(nèi)速度分布對(duì)比云圖。 可知: 傳統(tǒng)集流器中出現(xiàn)明顯速度分層, 靠近入口區(qū)域的流動(dòng)速度較高, 在集流器角落附近出現(xiàn)速度停滯區(qū), 并且邊壁上邊界層不斷增厚, 均不利于穩(wěn)定流動(dòng); 優(yōu)化集流器中流動(dòng)速度分布均勻, 并且優(yōu)化集流器下通道各支管中流動(dòng)速度普遍比傳統(tǒng)集流器高, 同時(shí)驗(yàn)證了漸縮導(dǎo)流型微通道散熱器理論分析的合理性。 通過(guò)將優(yōu)化集流器結(jié)構(gòu)沿流動(dòng)方向漸縮設(shè)置, 在減小占用空間的同時(shí)保持流動(dòng)速度穩(wěn)定。 流體出入口位于集流器夾角區(qū)域, 流體流動(dòng)過(guò)程中貼壁前行, 產(chǎn)生滑移速度, 進(jìn)一步提高流動(dòng)性能。 在集流器邊壁上設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu), 在貼壁效應(yīng)的作用下充分將流體向中部區(qū)域分散。 為了均衡通道壓力, 流體流經(jīng)各支路的流動(dòng)距離相等, 并借助壁面導(dǎo)流結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)流體產(chǎn)生局部紊流, 進(jìn)一步保證同一斷面上速度混合均勻。
圖3 通道內(nèi)速度分布對(duì)比云圖Fig.3 Comparison of velocity distribution in channel
在入口流速為0.5 m/s 的情況下, 采用常規(guī)和優(yōu)化的集流器內(nèi)速度流線如圖4 (a) 所示。 在相同的入口條件下, 改進(jìn)的漸縮導(dǎo)流型集流器比傳統(tǒng)矩形結(jié)構(gòu)的流線更加緊湊, 有利于向各平行通道內(nèi)輸入等量的流體, 從而提高微通道的冷卻性能。 對(duì)于矩形集流器, 流體的進(jìn)出口位于集流器中心, 造成中間部分通道的流程短、 壓差小, 大量流體涌入中間部分通道,并從散熱器中間位置向兩側(cè)方向的流量逐漸降低, 各通道間流量分配異常。 在矩形集流器的入口和邊角處出現(xiàn)流動(dòng)停滯區(qū), 流體長(zhǎng)時(shí)間停留在集流器中, 形成局部死循環(huán), 使得集流器內(nèi)流動(dòng)不良。 流線在優(yōu)化集流器中的緊湊度高, 邊壁處流線密度大, 說(shuō)明優(yōu)化后的集流器降低了流體的停留時(shí)間, 并有效利用流體的慣性作用和貼壁效應(yīng), 將流量均勻分配到各通道中。
圖4 集流器幾何形狀對(duì)通道流動(dòng)速度的影響Fig.4 Effect of collector geometry on channel flow velocity:(a) streamline distribution; (b) velocity distribution
圖4 (b) 給出了傳統(tǒng)集流器中沿通道寬度方向的速度分布情況。 傳統(tǒng)集流器沿通道寬度方向的速度梯度較大, 中間位置支管8 入口處流動(dòng)速度最高, 達(dá)到0.53 m/s, 并向兩側(cè)方向速度逐漸降低, 邊緣處速度最小為0.36 m/s, 速度分布呈開(kāi)口向下的拋物線形狀, 各入口處速度分布不均。 優(yōu)化集流器中各通道速度分布得以改善, 整體呈“V” 形分布, 靠近入口位置和遠(yuǎn)離入口位置的速度較高, 并依次向內(nèi)速度降低, 在支管1 中得到最高流速0.66 m/s, 支管8 中流速最低為0.62 m/s, 整體速度差異很小。 優(yōu)化集流器中速度分布情況與文獻(xiàn)[17]一致, 這與同程式流動(dòng)方式有關(guān), 致使中間支管的流動(dòng)穩(wěn)定性相對(duì)較差。
圖5 所示為入口流速為0.5 m/s 時(shí), 傳統(tǒng)和優(yōu)化集流器下散熱器壓力變化對(duì)比云圖。 可知: 傳統(tǒng)集流器下散熱器中出現(xiàn)嚴(yán)重壓力階躍現(xiàn)象, 其壓力變化大致可分為3 個(gè)梯度。 第一梯度為300 ~340 Pa 的入口高壓區(qū), 第二梯度為140 ~300 Pa 的支管中壓區(qū), 第三梯度為40~140 Pa 的出口低壓區(qū)。 傳統(tǒng)集流器下散熱器中第一梯度壓力作用距離較短, 第二梯度壓力也未能完整通過(guò)主通道區(qū)域, 便隨之轉(zhuǎn)變?yōu)榈谌荻葔毫Α?這表明傳統(tǒng)集流器下散熱器各支管壓力分配不均, 并由于高低速造成能量大量損失, 流動(dòng)性能較差。 而優(yōu)化集流器下散熱器中出現(xiàn)過(guò)渡平緩的2 個(gè)色帶分布, 與矩形集流器比較, 優(yōu)化集流器下散熱器只出現(xiàn)260~340 Pa 的第一梯度壓力和140~260 Pa 的第二梯度壓力, 并且第一梯度壓力持續(xù)作用距離較長(zhǎng),這也說(shuō)明了漸縮導(dǎo)流型微通道散熱器成功誘導(dǎo)流體流動(dòng)以減少能量損失。
圖5 散熱器壓力變化對(duì)比云圖Fig.5 Comparison cloud maps of pressure change of radiator
為了可視化分析通道內(nèi)流量的分配情況, 基于氣液兩相流模型, 通過(guò)氣相體積在集流器和平行通道的分布情況來(lái)反映流體流動(dòng)狀況的優(yōu)劣。 利用Fluent 軟件對(duì)2 種集流器下的散熱器內(nèi)氣液兩相特性進(jìn)行數(shù)值模擬, 并選用VOF 模型對(duì)2 種不相容的相界面進(jìn)行追蹤捕捉, 定義水為連續(xù)主相, 氮?dú)鉃榉稚⒋蜗啵?而氣相體積分?jǐn)?shù)為網(wǎng)格單元中分散相所占體積與網(wǎng)格體積之比。 計(jì)算過(guò)程采用非穩(wěn)態(tài)算法, 模型各邊界條件設(shè)置與前述保持一致。 圖6 所示為傳統(tǒng)和優(yōu)化集流器下通道間氣相分布對(duì)比云圖, 傳統(tǒng)集流器中靠近入口區(qū)域的氣泡體積較小, 并隨著流體流動(dòng)動(dòng)能下降、 向邊緣區(qū)流動(dòng)的過(guò)程中, 氣泡體積變大; 各平行微通道間的氣相分布情況并不均勻, 正對(duì)出入口的中間通道內(nèi)氣相分布程度較高, 并在入口上游區(qū)形成大氣泡堆積, 而兩側(cè)通道的氣相占有比最低, 而流程長(zhǎng)、 壓阻大造成邊緣通道上游氣泡集中, 不能順利地完成整個(gè)流動(dòng)過(guò)程。 縮導(dǎo)流型集流器以及各通道內(nèi)氣泡行為的一致性較好, 各支路含氣率相差不大, 未出現(xiàn)氣泡集聚和充氣量不足。
圖6 通道內(nèi)氣相分布對(duì)比云圖Fig.6 Comparison of gas phase distribution in the channel
圖7 所示為傳統(tǒng)與優(yōu)化的集流器下各通道內(nèi)質(zhì)量流量的分布狀況。 通道內(nèi)質(zhì)量流量的分布狀況與速度分布保持一致, 傳統(tǒng)集流器下通道間質(zhì)量流量分布呈開(kāi)口向下的拋物線型, 中間通道內(nèi)質(zhì)量流密度較高,并向兩側(cè)逐次遞減, 在支管8 中出現(xiàn)的最大質(zhì)量流量為17.34 mg/s, 而支管1 中的最低質(zhì)量流量為10.83 mg/s, 其極差為6.51 mg/s, 總體偏差較大。 優(yōu)化集流器下通道間質(zhì)量流量分布呈平緩的“V” 形分布,支管1 中得到最高質(zhì)量流量為17.86 mg/s, 支管8 中的最低質(zhì)量流量為16.45 mg/s, 其極差為1.41 mg/s,通道各支管間質(zhì)量流量偏差較小。
圖7 傳統(tǒng)與優(yōu)化的集流器下各通道內(nèi)質(zhì)量流量Fig.7 Mass flow in each channel under conventional and optimized collectors
傳統(tǒng)與優(yōu)化集流器下各支管質(zhì)量流量與平均質(zhì)量流量偏差情況如圖8 所示。 在矩形集流器的作用下,通道1-4 內(nèi)質(zhì)量流量低于平均質(zhì)量流量, 通道6-10內(nèi)質(zhì)量流量高于平均流量, 通道12-15 內(nèi)質(zhì)量流量再次下降到平均流量以下, 最高流量偏差百分比出現(xiàn)在通道8 內(nèi), 達(dá)到32.2%。 在漸縮導(dǎo)流型集流器的影響下, 通道1-3 內(nèi)質(zhì)量流量略高于平均水平, 通道4-11內(nèi)質(zhì)量流量略低于平均水平, 并在通道8 處達(dá)到最大流量偏差百分比為-8.9%, 通道12-15 中質(zhì)量流量再次升高, 超過(guò)平均水平。 由此可見(jiàn), 優(yōu)化的集流器結(jié)構(gòu)充分利用流體的慣性作用和貼壁效應(yīng), 實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的均勻分配。
圖8 各通道間質(zhì)量流量差異Fig.8 Mass flow differences between channels: (a)optimized header; (b) conventional header
考慮到微尺度下流動(dòng)狀態(tài)的特殊性, 并參考文獻(xiàn)[18]中的實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù), 對(duì)Fluent 模擬采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值模型(即層流或湍流模型), 其設(shè)計(jì)變量的取值情況如表4 所示。
表4 設(shè)計(jì)變量約束條件Tab.4 Constraints of design variables
圖9 顯示了層流條件下傳統(tǒng)與改進(jìn)集流器中支管間質(zhì)量流量的偏差情況。 可知: 傳統(tǒng)矩形集流器在層流狀態(tài)下支管間流量分布差異較大, 中間支管6-10內(nèi)流量高于平均水平, 其余支管內(nèi)流量低于平均值,并向兩側(cè)流動(dòng)過(guò)程中含量越來(lái)越低; 當(dāng)雷諾數(shù)逐步增加時(shí), 中間支管與兩側(cè)支管的差有所緩和, 但整體差異依舊較大。 這可能是由于在層流狀態(tài)下, 流體流動(dòng)動(dòng)能不足, 不能將流體輸送到最外側(cè)支管。
另外, 矩形集流器的結(jié)構(gòu)形式限制了流體充分流動(dòng)的可能, 當(dāng)流體部分進(jìn)入中間通道后, 后續(xù)支管的入口流量減少, 在相同集流器截面積下必將導(dǎo)致流動(dòng)速度下降, 不能抵抗流動(dòng)阻力。 改進(jìn)的漸縮導(dǎo)流集流器通過(guò)支管間同程流動(dòng)和漸縮導(dǎo)流結(jié)構(gòu)使得層流狀態(tài)下支管間流量偏差在±20%以內(nèi), 而矩形集流器偏差在±40%左右, 但中部支管的流量水平相對(duì)較低,可見(jiàn)改進(jìn)形狀能充分利用流體流動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的均勻分布。
圖10 所示為湍流條件下傳統(tǒng)與改進(jìn)集流器中管間質(zhì)量流量的偏差情況。 矩形集流器在高入口流速的湍流狀態(tài)下支管間的流量不平衡性更加凸顯。在雷諾數(shù)為1 750 時(shí), 支管8 的質(zhì)量流量偏差達(dá)到45.7%。 這主要是高流速下流體的慣性力更強(qiáng), 但隨著雷諾數(shù)的提高, 流體流動(dòng)的輻射范圍變廣, 中部支管流量高于平均值的數(shù)量變多, 但與兩側(cè)的差異性更大。
圖10 湍流狀態(tài)下支管間質(zhì)量流量的偏差情況Fig.10 The deviation of mass flow rate between branches in turbulent state
在漸縮導(dǎo)流集流器中, 隨流動(dòng)速度的提高, 兩側(cè)支管流量增多, 并逐漸向中間的通道逼近, 改善了中部流量分布較差的情況, 并且在湍流狀態(tài)下各支管間流量差異控制在±15%以內(nèi)。 可見(jiàn), 在不同的入口條件下, 改進(jìn)的漸縮導(dǎo)流集流器對(duì)流體進(jìn)行規(guī)律性誘導(dǎo)流動(dòng), 避免了雜亂的擾流出現(xiàn), 各支管流量水平控制相對(duì)均勻, 具有較高的適應(yīng)性。
文中設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種集流器形狀, 以實(shí)現(xiàn)微通道散熱器各支管中均勻的流量分布, 對(duì)2 種不同集流器下的微通道散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬, 研究結(jié)論如下:
(1) 傳統(tǒng)矩形集流器沿邊壁的厚邊界層、 拐角處的速度停滯區(qū), 各支管阻力不平衡以及內(nèi)部高低速分布是導(dǎo)致流量分布不均的關(guān)鍵原因。 優(yōu)化的集流器結(jié)構(gòu)通過(guò)同程流動(dòng)方式、 漸縮導(dǎo)流設(shè)置克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的限制, 其流線分布緊湊度高, 邊壁處流線密度大。在入口流速為0.5 m/s 時(shí), 傳統(tǒng)集流器中各支管質(zhì)量流量偏差達(dá)到32.2%, 而優(yōu)化集流器僅為8.9%, 各支管流量均勻性提高72.36 %。
(2) 傳統(tǒng)集流器下的散熱器中出現(xiàn)嚴(yán)重壓力階躍現(xiàn)象, 高壓持續(xù)距離較短, 末端低壓在40 ~140 Pa; 優(yōu)化集流器下的散熱器中壓能利用效率高, 高壓區(qū)域面積大, 末端壓力處于140 ~260 Pa 的中壓區(qū)域。 由此可見(jiàn), 優(yōu)化結(jié)構(gòu)有效地減少了能量損失。
(3) 在不同流動(dòng)狀態(tài)的Re作用下, 優(yōu)化的漸縮導(dǎo)流型散熱器中各支管間流量差異可控制在±15%以內(nèi), 而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在±40%左右。 可見(jiàn), 優(yōu)化結(jié)構(gòu)在不同流動(dòng)狀態(tài)下的適應(yīng)性能更優(yōu)。