液冷散热器流道截面形状研究∗

徐鹏卓 韩钟剑 宋 丹

（1.中国电子科技集团公司第二十研究所 西安 710068）（2.中国电子科技集团公司第二十研究所高端电子装备工业设计中心 西安 710068）

1 引言

随着军用电子装备的迅速发展，大热耗、高热流密度、轻量化要求成为其热控设计的关键要素［1］。有研究指出，对于单个电子器件，温度每升高10℃，其可靠性就降低50%［2］。温度过高不仅会损伤电路的连接器件、还会增加电子器件的电阻值并会增加一定的热应力损伤。电子器件本身的温度升高时，将会大大降低器件以及电子设备系统的使用寿命。

常规风冷散热［3～5］的最大散热能力有限，逐渐不能满足日益升高的散热需求。液冷散热［6～9］通常使用的冷却工质具有高比热容和高热导率的特点。液冷散热是通过冷却工质［10］流过流道，与热源进行充分换热，将热量带走的散热方式，相比于风冷散热，液冷散热具有散热能力强，温度均匀性好、不产生噪音等优点。

同时，现有液冷散热器的流道截面形状多为容易加工的矩形截面［11～12］和圆形截面［13～14］，散热能力可进一步提高。本文研究了多种流道截面形状对于液冷散热器散热能力的影响，对实际设计中液冷散热器截面形状的选择具有一定的指导意义。

2 物理模型及验证

2.1 物理模型和边界条件

为了便于分析，本文的研究对象为直流道液冷散热器。散热器的长度是80mm，宽度是74mm，高度是8mm。在散热器上方中心处布置热源，热源为30mm×30mm正方形区域，功率为100W。散热器沿着长度为80mm的方向上，分布着相互平行的10条流道，每条流道的截面形状都相同，且不同截面的面积相同，都为10mm2。

散热器流道的上下边界处距离散热器上下表面的距离都相等，例如：3#散热器的通道截面为等腰三角形，截面顶角到上表面的距离为1.5mm，截面底边到下表面的距离也为1.5mm。本文中不同散热器之间仅有流道截面形状不同的区别，涉及到的散热器流道截面尺寸信息如表1所示。

表1 散热器流道截面的尺寸

本文中的4 种散热器具有不同的流道截面形状，如图1 所示，并且为方便叙述，流道从左至右序号分别记为为1到10。

图1 不同散热器通道截面形状

以3#散热器为例，如图2所示。固体域为默认设置、流体域设置为65#冷却液，环境温度为20℃。入口设置为速度入口，速度为0.2m/s，出口设置为压力出口，压力为一个标准大气压。

图2 3#散热器三维模型

2.2 控制方程

冷板三维模型的数值仿真在ICEPAK 软件上进行。使用该软件得出散热器在稳态条件下的传热性能，假设如下：1）稳态过程；2）不可压缩流体；3）层流流动；4）流体物性参数恒定；5）热源与散热器之间的热阻忽略不计；6）散热器除出入口外的其他表面为绝热。控制方程如下：

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

2.3 模型验证

本文中的多个散热器外形尺寸完全相同，只有流道截面形状不同，在进行网格无关性验证时，以0#散热器为例进行验证。表2 显示的是0#散热器在网格加密过程中，出入口的压差ΔP以及相对于网格4的差值。

表2 0#散热器的网格无关性验证

在0#散热器获得网格无关解后，得到此时的网格参数信息，对于其他的散热器也都设置为相同的网格参数信息，也能保证其他散热器的仿真结果获得网格无关解。根据表2 的信息，选择网格3 对应的网格参数信息。对于其他散热器，网格数量为40万左右时，也都认为达到了网格无关解。

3 参数说明

本文中，换热系数定义如下：

其中，q为热流密度，Tw,ave为散热器表面平均温度，Tf,ave为流体平均温度。

本文中，水力直径定义如下：

其中，S是单个流道截面面积，C是单个流道截面周长。

本文中，摩擦系数定义如下：

其中，ΔP为出入口的压差，L为流道的长度，ρ为流体密度，Uave为入口平均流速。

同时，本文定义综合性能参数：

综合性能参数同时考虑了散热器的换热能力和压降，该参数取决于h和h0的比值、f和f0的比值。其中h0和f0是0#散热器对应的换热系数和摩擦系数。

4 数值分析及讨论

4.1 中心横向截面温度分布

散热器中心处的温度较高，通过分析不同散热器中心横向温度及其分布，能够得到不同流道截面形状对于散热器温度分布的影响。以3#散热器为例，该截面的位置如图3所示。

图3 中心横向截面示意图

根据本文中4 种散热器的仿真结果，中心横向截面处的温度分布如图4所示。

图4 中心横向截面温度云图

根据温度云图，散热器中心横向截面处，中间温度高，两边温度低，不同散热器的中心截面温度极值如表3所示。

表3 散热器中心横向截面温度极值

由表3 可以得到，0#、1#和2#散热器中心截面处的温度极大值相差不大，0#散热器中心截面处温度极小值较低。相较于其他散热器，3#散热器中心截面处温度的极大值和极小值均为最小。

4.2 水平截面温度分布

水平截面的位置为散热器上表面竖直向下0.5mm 处，以3#散热器为例，该截面的位置如图5所示。

图5 水平截面示意图

根据本文中4 种散热器的仿真结果，水平截面处的温度分布如图6所示。

图6 水平截面温度云图

散热器水平截面处，中心温度高，四周温度低。不同散热器的水平截面温度极值如表4所示。

表4 散热器水平截面温度极值

由表4 可知，0#、1#和2#散热器水平截面温度的极大值数值接近，极小值也相差不大，只是1#散热器的两个数值稍大。相比于其他散热器，3#散热器水平截面温度的极大值和极小值都最小，低于其他散热器对应数值2℃左右。

4.3 通道压力分布

在距离散热器上表面4mm 处的水平截面上得到散热器流道压力分布云图。该截面位于散热器竖直方向的中点处，以3#散热器为例，该截面的位置如图7所示。

图7 流道压力云图

不同散热器的流道截面形状不同，导致流道出入口压差不同。表5 比较了不同散热器10 个流道出入口压差的平均值。

表5 散热器流道出入口压差平均值

由表5 可知，2#散热器流道的出入口压差平均值最小，3#散热器流道的出入口压差平均值最大。

4.4 通道纵向速度分布

散热器的10 个流道相同，仅研究其中一个流道的速度分布即可。本文选择序号为5 的流道进行研究，仿真得到该流道中心纵向截面处速度云图，以3#散热器为例，该截面的位置如图8所示。

图8 流道中心纵向截面示意图

根据本文中4 种散热器的仿真结果，流道中心纵向截面处速度分布如图9所示。

图9 流道中心纵向截面速度云图

通过分析图9 的速度云图，可以获得散热器流道内的速度分布特点。在靠近流道壁面处，速度较小，在靠近流道中心轴线处，速度较大。特别地，对于3#散热器来说，在等腰三角形顶角处形成速度旋涡，具体如图10所示。

图10 3#散热器速度云图

4.5 综合性能分析

本文定义的综合性能参数包括热力学参数和流体力学参数，分别为换热系数h和摩擦系数f。在分析本文中4 种散热器综合性能之前，先分析不同散热器的这两个参数。

图11 展示的是不同散热器换热系数的比较结果，从图中可以看出，1#散热器的换热系数最小，3#换热器的换热系数最大，除了3#散热器，其余散热器的换热系数都比较接近。

图11 不同散热器换热系数的比较

图12 展示的是不同散热器摩擦系数的比较结果，从图中可以看出，2#散热器的摩擦系数最大，1#散热器的次之，0#散热器和3#散热器的摩擦系数相当，在散热器中最小。

图12 不同散热器摩擦系数的比较

图13 展示的是不同散热器综合性能参数的比较结果，3#散热器的综合性能参数最大，0#散热器的次之，1#和2#散热器的数值相当，且为最小。可以看到，相比于0#散热器，3#散热器的综合性能参数提高了17%。

图13 不同散热器综合性能参数的比较

5 结语

本文构建了不同流道截面形状的液冷散热器模型，研究了4 种散热器多个截面处的温度分布情况、流道压力分布情况以及流道速度分布情况。同时，本文还研究了这4 种散热器的换热系数、摩擦系数以及综合性能参数。得到以下结论：

1）散热器温度分布呈现中心高、四周低的特点，3#散热器的最高温度低于其他散热器2℃左右。

2）2#散热器的出入口压差平均值最小，3#散热器的出入口压差平均值最大。

3）散热器流道内速度分布呈现靠近壁面处速度较小，靠近中心轴线处速度较大的特点，另外，3#散热器在等腰三角形顶角处形成速度旋涡。

4）1#散热器的换热系数最小，3#换热器的换热系数最大。2#散热器的摩擦系数最大，0#散热器的摩擦系数最小。3#散热器的综合性能参数最大，2#散热器的综合性能参数最小。