超轻多孔金属材料数值仿真与实验测试*

赵 亮，吴 波，文 雯，张丰华，周 尧

(西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068)

0 引 言

超轻多孔金属材料兼具金属和多孔材料两者的结构特点和优异性能。其不但具有良好的传导性、冲击韧性、抗热振性、可焊性以及便于加工和安装等金属的特性，同时具有体积密度小、相对质量轻、比表面积大、比力学性能高、阻尼性能好等多孔材料特性。由于其重量轻，比表面积大的特点，在质量和体积皆受限制的在换热器散热、微电子冷却、航空航天回热器等领域具有十分广阔的应用前景[1]。

超轻多孔金属材料可以应用于机载电子系统散热，改进原有散热器结构，可以达到强化散热性能同时减轻系统重量的效果。由于超轻多孔金属材料内部结构十分复杂，表征参数多，换热性能影响因素多，目前对于其强迫对流换热模型的研究还不够完善。

笔者针对超轻多孔金属材料建立了十四面体精细结构模型、强迫对流换热模型，开展了对流换热仿真及实验测试验证，为超轻多孔金属材料结构在机载电子散热领域应用奠定技术基础。

1 超轻多孔金属材料微观结构

传统机载电子设备对流换热直齿多孔翅片，孔隙率95% 孔密度10PPi(以下称为10PPi)，孔隙率95%孔密度20PPi(以下称为20PPi)超轻多孔金属铜材料如图1所示。

图1 直齿多孔翅片、10PPi多孔金属铜、20PPi多孔金属铜

超轻多孔金属材料微结构呈现出多孔结构形式，Kelvin提出了一种十四面体结构符合空间平均统计意义上的超轻多孔金属材料几何结构特征，多孔结构材料成形过程中为获得最小表面能而出现概率最大的一种理想形状[2]。十四面体是一种理想的结构，在泡沫孔自然发泡过程中十四面体结构最容易形成，当铜或者其它金属处于熔融状态时，发泡气体吹入，气泡孔产生，气泡被释放到周围，包裹自身在一个可以达到的空间内，趋于一种自然的稳态，表面能最低。气泡表面能最小时孔胞呈现14面体结构，孔洞呈现六面体形状，微观结构[3]如图2所示。

图2 超轻多孔金属扫描电镜图

超轻多孔金属孔密度为10PPi，定义为每英寸上有10个孔，即孔径dp为2.54 mm，孔径dp一般为气泡胞径d的50%～70%[4]，本文采用孔径dp等于气泡胞径d的60%来计算气泡胞体直径。超轻多孔金属孔径及胞径参数如表1所列。

表1 孔径及胞径参数

2 超轻多孔金属材料十四面体结构模型

根据多孔金属材料微观结构及孔径、胞径参数，利用Inventor三维建模软件建立孔隙率95%孔密度10PPi超轻多孔金属十四面体结构单胞精细三维模型如图3所示，单胞模型为十四面体，8个六边形和6个四边形组成。

图3 超轻多孔金属十四面体单胞精细模型 图4 孔隙率计算

超轻多孔金属孔隙率和孔密度是超轻多孔金属的两个重要特征参数，以下对比十四面体结构单胞精细三维模型的孔隙率和孔密度。

孔隙率利用Inventor三维建模软件读取无孔实体结构时体积为37.886 mm3，有孔体积为2.295 mm3，孔隙率为93.9%，与理论孔隙率95%的误差为1.2%，十分精确，如图4所示。

孔密度利用Inventor测量三维模型孔径为0.002 035 mm，孔密度10PPi时的孔径理论值为0.002 54 mm，十四面体结构单胞精细三维模型孔径与理论的误差为8%，十分精确。

通过以上对比，可以看出十四面体结构单胞精细三维模型的孔隙率和孔密度两个特征尺寸与理论值误差很小，可以用于仿真模型建立及计算。

3 超轻多孔金属材料对流换热仿真

超轻多孔金属材料结构具有非常大的比表面积和良好的换热性能，在强迫对流情况下，具有很强的换热能力。采用超轻多孔金属材料作为机载电子系统散热结构时，一般结构尺寸较大，超轻多孔金属材料全部建成精细的十四面体结构模型，模型太复杂，网格太多，无法计算，其内部结构的复杂性给强化换热分析带来了很大的难度，必须对换热模型进行简化，文中建立等效对流换热模型进行换热和流阻分析。

超轻多孔金属材料结构原理样件及结构尺寸为200 mm×51.8 mm×10 mm，模拟电子设备散热结构件的部分区域，样件底部设计模拟热源安装位置，如图5所。截取原理样件换热结构的局部作为对流换热数值模型，建立10PPi简化十四面体结构模型、20PPi简化十四面体结构模型，直齿多孔翅片简化模型，其高度尺寸为10 mm，长度为33.6 mm，宽度为4.2 mm，如图6所示。

图5 实验原理样件

图6 对流换热模型

将对流换热模型导入热流体数值仿真软件FloEFD，在FloEFD软件中进行网格划分，网格级别设置为3级，最小缝隙尺寸设置为0.001 m，最壁面尺寸设置为0.000 5 m，十四面体简化模型划分网格如图7所示。

图7 10PPi多孔金属对流模型网格划分

边界条件设置依据十四面体简化模型底面热流密度与实验模型一致，采用壁面恒热流密度作为边界条件，风量按照GJB2882要求风量进行设置，环境温度设置为26 ℃。

分别仿真了10PPi超轻多孔铜，20PPi超轻多孔铜，直齿多孔翅片三种模型，仿真结果如图8所示，可以得到以下结论。

图8 不同热流密度下换热系数图

(1) 随着热流密度越大，超轻多孔金属的换热效果更加明显，换热效果20PPi超轻多孔铜>直齿多孔翅片>10PPi超轻多孔铜。

(2) 热流密度0.54 W/cm2时，采用20PPi超轻多孔铜的换热系数为290.2 W/m2k比传统翅片换热系数249.5 W/m2k提高了16.3%，超轻多孔金属结构的强化换热效果非常明显。

(3) 20PPi超轻多孔铜，直齿多孔翅片，10PPi超轻多孔铜仿真温度场云图如图9所示。从图中可以看出超轻多孔金属温度场更加均匀，入口段更短，翅片温度场温度梯度大，入口段更长，超轻多孔金属增强扰流作用明显。

图9 仿真温度场云图

4 超轻多孔金属材料实验测试验证

超轻多孔金属材料原理样件测试系统如图10所示，由超轻多孔金属样件、供风设备、直流电源、数据采集器、模拟热源、PC机、斜管压力计等组成，原理样件在实验室环境条件下进行测试。供风设备为超轻多孔金属原理样件提供冷却空气，采用直流稳压电源为模拟热源供电，根据GJB2882要求提供系统供风量，采用风速计测量供风风量，采用斜管压力计测量系统压降值，使用FLUKE数据采集系统测量多孔金属原理样件温度值，在PC机上读取模拟热源温度值。

图10 超轻多孔金属测试系统

20PPi超轻多孔铜实验测如图11所示，通过实验测试根据公式计算换热系数：

图11 20PPi超轻多孔铜实验测试

h=Q/A/(Tw-Tf)

(1)

式中：Q为散热功耗；A为底部加热面面积；Tw为加热面的平均壁面温度；Tf为流体平均温度；Tf等于流体入口温度和流体出口温度的平均值。

对20PPi超轻多孔金属材料原理样件进行实验测试，对比实验测试和数值仿真结果如图12所示，可以看出超轻多孔金属材料十四面体结构单胞精细对流数值仿真模型计算的对流换热系数与实验值误差在15%以内。

图12 实验测试与仿真结果对比

5 结 语

通过对超轻多孔金属材料十四面体结构模型、对流换热仿真、实验测试验证研究可以得到以下结论：十四面体结构单胞精细三维模型可以精确的反应超轻多孔金属材料的孔隙率和孔密度等结构特征参数。随着热流密度越大，超轻多孔金属材料的换热效果更加明显，超轻多孔金属材料温度场更加均匀，增强扰流作用明显。基于超轻多孔金属材料十四面体结构单胞精细对流数值仿真模型的仿真结果与实验值误差在15%以内，可以应用于设计仿真验证。