水冷基板散热器数值模拟及结构优化分析

高俊帅，崔洪江

(1.中国北车集团 大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116022;2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁大连116028)*

水冷基板散热器数值模拟及结构优化分析

高俊帅1，崔洪江2

(1.中国北车集团 大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116022;2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁大连116028)*

通过对水冷基板式散热器进行建模，并采用CFD数值仿真分析软件对冷却液循环流动的流场分析及传热分析.根据分析结果对散热器冷却液管道结构进行优化，并完成优化方案的流动与传热计算.计算结果表明，在相同进口速度时优化后的散热器表面最高温度较原方案相比下降幅度较大，最高为5.84%.

水冷基板散热器;传热;数值模拟;守恒定律

0 引言

大功率交流传动电力机车内部装有许多大容量的电器设备，这些设备的工作电流很大，能够生成大量的热量，如果不能很好的解决散热问题，不仅影响到设备的性能，还会缩短电力电子器件的寿命［1-2］.

传统的电器设备的散热方式基本上是采用通风对器件进行冷却［3］.但是，随着机车大功率的发展，越来越多更大功率的电力电子器件的应用，也对冷却提出了更高的要求［4］.于是，水冷散热器以其良好的散热效果逐渐被尝试使用在电力电子器件上.目前在工程应用方面，水冷散热器的结构设计大部分是经验设计.但采用试验的方法对散热器进行性能测定，存在着时间长、成本高、试验条件有限等因素.而利用基于计算流体动力学方法对散热器进行仿真分析，可以有效地改进设计，节省研发成本［5-6］.

本文对大功率交流传动电力机车常用的大容量电力电子器件，采用FLUENT软件［7］进行水冷散热器的散热过程仿真计算，得到散热器的温度分布及冷却液的流场分布.通过对冷却液流动通道的结构优化，对比优化前后的数值仿真分析结构，为该散热器的设计提供计算依据.

1 设计要求

大功率交流传动电力机车的牵引变流器装置功率模块发热量较多，而传统的空冷散热已显得能力不足，因此本次设计采用水冷散热器对其进行散热.根据功率模块的外形尺寸及其空间位置布置要求，确定水冷基板的外形尺寸为300 mm×300 mm×30 mm，内腔尺寸为290 mm×290 mm×20 mm.功率元件位置布置图如图1所示.

图1 功率元件布置图

功率模块耗散功率如表1所示.

散热器设计的目的是要保证大功率电子元件在最大功率下可靠工作，同时又要降低散热器的重量及加工成本.根据对比铁、铜、铝等材质的导热系数，在截面积和厚度相同的条件下，铝板的导热系数大于铁板，而重量要小于铁板和铜板，成本远低于铜板.水冷基板的材料选用铝板，要求表面加工平整、光滑.

表1 电子元件耗散功率

2 模型建立及仿真计算过程

根据散热器的外形尺寸及电子元件的布置位置，在三维建模软件中完成模型建立，包括IGBT模块、功率二极管及电阻模块、冷却水的进出管道等.

通过FLUENT软件基于有限容积法对模型进行流体动力学计算分析.首先对模型加载初始条件和边界条件，将散热器材质修改为铝，散热器内流体设置为水，同时考虑散热器与周围环境的辐射换热，设置环境温度为45℃;其次对计算模型进行网格划分.为提高计算精度，对水冷基板散热器内腔做细化网格处理，网格单元数和节点数分别为177 096和186 588.

流体的运动规律遵循物理学三大守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律.流体动力学基本方程组就是这三大定律对流体运动的数学描述［8-9］.对此次分析的散热器模型中，单位时间流出散热器的冷却液质量等于流入的质量，也可以说微元控制体内的流体密度不随时间变化，计算中冷却液为不可压缩流体.

3 计算结果及分析

3.1 散热器初始方案

当冷却水入口流速为2.7 m/s时，散热器最高温度出现在功率二极管处，为89.76℃，已接近报警温度.散热器表面温度分布如图2所示.

冷却水腔中间平面的速度矢量分布如图3所示.由于采用整体水腔设计，造成冷却水扰动不剧烈，中间位置流动速度较低，冷却效果不理想.

3.2 散热器结构优化

根据功率发热元件的位置，为了使冷却液尽可能的流过发热元件正下方，保持冷板外形尺寸不变的前提下重新设计水冷板的冷却液流动通道，如图4所示.

图2 散热器表面温度分布

图3 冷却水腔中间平面速度矢量分布

图4 冷却液流动通道结构优化方案

当冷却液入口水流速仍为2.7 m/s时，散热器最高温度为84.51℃，低于原方案，符合温度要求.冷却液流动通道结构优化后散热器表面温度分布如图5所示.

当冷却液流动通道结构优化后，冷却水腔中间平面的速度矢量分布如图6所示.可以看出，发热功率元件正下方均有冷却液流过，且扰动较原方案剧烈，冷却效果相比原方案有所提高.

图5 冷却液流动通道结构优化后散热器表面温度分布

图6 结构优化后水腔中间平面速度矢量分布

3.3 散热器优化结构与初始方案对比分析

当冷却水进口流速分别设置为2.8、2.9、3.0、3.1 m/s时，散热器冷却液流动通道优化后的散热器表面最高温度、热阻值与初始方案对比如表2及图7所示.

表2 不同进口流速下散热器参数对比

图7 散热器表面最高温度随进口流速变化曲线

可见，对于确定的散热器，表面最高温度随着进口速度的增加而降低，近似呈线性变化.在相同进口速度时，优化后的散热器表面最高温度较初始方案相比下降幅度较大，最高为5.84%，散热能力有所提高.这是由于优化后的方案在发热电子元件的正下方设置了冷却水腔，使冷却液能充分流过发热元件底部，并且通过弯道的设计，使冷却液扰动剧烈，从而提高了散热能力.

4 结论

本文利用FLUENT软件对水冷散热器进行了三维数值模拟分析，通过对水冷基板进行仿真计算得到了散热器的流场和温度分布，为水冷板散热器的前期阶段对其有指导作用，减少了设计的重复性，提高了工作效率.对原方案进行了结构优化设计，改进冷却液流动通道的尺寸和布局，让冷却液流经发热电子元件正下方的流速增加，有效降低了元件的温度.

［1］刘焕玲，邵晓东，贾建援.计算机芯片的散热研究［J］.电子机械工程，2005，21(3):15-17.

［2］贺荣，龚曙光，李纯，陈敏.基于Fluent的水冷板式散热器数值模拟与试验研究［J］.流体机械，2010，38(2):57-60.

［3］廖洪涛.和谐HXD1型大功率交流电力机车概述［J］.电力机车与城轨车辆，2007，30(1):7-10.

［4］肖云华.和谐HXD1型大功率交流电力机车通风系统［J］.电力机车与城轨车辆，2007，30(1):23-25.

［5］石书华，李守法.三电平变频器水冷散热器温度场的计算与分析［J］.动力工程学报，2010，30(1):68-72.

［6］刘衍平，高新霞.大功率电子器件散热系统的数值模拟［J］.电子器件，2007，30(2):608-611.

［7］韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京:北京理工大学出版社，2005.

［8］张兆顺，崔桂香.流体力学［M］.北京:清华大学出版社，2002.

［9］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.

Numerical Simulation of Cooling Plate Radiator and Structure Optimization Analysis

GAO Jun-shuai1，CUI Hong-jiang2

(1.Dalian Locomotive and Rolling stock Co.，Ltd，Dalian 116022，China;2.School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

A water-cooled plate radiator was modeled，and the cooling liquid flowing was simulated by CFD software.The obtained velocity and temperature were analyzed，and the optimization of the structure，and completed flowing and heat transfer calculations according to the calculation results.The results show that the maximum surface temperature is reduced，and the maximum percent is 5.84%at the same inlet velocity.

water-cooled plate radiator;heat transfer;numerical simulation;conservation law

A

10.13291/j.cnki.djdxac.2014.03.015

1673-9590(2014)03-0062-04

2013-09-20

高俊帅(1980－)，男，工程师，学士，主要从事机车通风与换热方面研究

E-mail:gaojunshuai@hotmail.com.