液冷流道簡單計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法*

沈巍巍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江嘉興 314033)

液冷流道簡單計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法*

沈巍巍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江嘉興 314033)

液冷系統(tǒng)中最重要的是對流道的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在工程中采用手動計(jì)算或者軟件仿真的方法來實(shí)現(xiàn)。在項(xiàng)目評估階段，方案需要反復(fù)推敲，手動計(jì)算太過復(fù)雜，軟件仿真花費(fèi)的時間比較長。探討一種將經(jīng)驗(yàn)公式寫入程序的液冷流道簡化計(jì)算方法，既有一定的精度，又能節(jié)省時間，為項(xiàng)目評估提供有效手段。

流道;壁溫;壓力損失;程序設(shè)計(jì)

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種電子器件的性能和密集度得到很大的提高，傳統(tǒng)的自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷已經(jīng)越來越難滿足電子設(shè)備散熱的需要，液冷的應(yīng)用也越來越廣泛。因此在電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，液冷冷板的設(shè)計(jì)就會較頻繁的擺在設(shè)計(jì)師的面前。冷板的設(shè)計(jì)主要在于流道的參數(shù)設(shè)計(jì)，其中最重要的兩個參數(shù)就是壁溫和壓力損失，這兩個參數(shù)的計(jì)算應(yīng)用到的經(jīng)驗(yàn)公式較多。而且研究人員在設(shè)計(jì)的時候不可能一次到位，總是會通過不斷的優(yōu)化來達(dá)到一個最適合的值。在這樣一個過程中，涉及的計(jì)算量較大，周期也長。

CAE的發(fā)展給我們帶來了很大的便利，市面上也有很多用于熱仿真的軟件，每一種仿真軟件通過建模、參數(shù)設(shè)定、劃分網(wǎng)格、計(jì)算都可以得到比較精確的解，但是所有流程走下來花費(fèi)的時間比較可觀，而且這些軟件對計(jì)算機(jī)的軟硬件環(huán)境都有一定的要求，一般的PC機(jī)處理起來吃力。在一般工程準(zhǔn)備或者前期論證階段不可能對每個方案進(jìn)行仿真分析。因此希望能有一種較簡單的工具來實(shí)現(xiàn)冷板的計(jì)算，既有一定的精度，又能不花費(fèi)太多的時間。程序設(shè)計(jì)方法為是將手動計(jì)算用的經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用到程序設(shè)計(jì)中，讓計(jì)算機(jī)中來完成復(fù)雜的計(jì)算，而工程人員只需要完成參數(shù)的輸入和結(jié)果的讀取或篩選。

2 設(shè)計(jì)思路和計(jì)算過程［1-3］

在常用的間接式液冷系統(tǒng)中，冷板既作為電子元器件的安裝平臺，又作為電子器件的熱交換器，電子器件的熱量通過冷板傳遞給冷卻液帶走(液冷系統(tǒng)中空氣對流換熱與輻射傳熱十分有限，可以忽略)。現(xiàn)在電子設(shè)備中應(yīng)用到的冷板大概有兩種，一種是扁平蛇形結(jié)構(gòu)的，如圖1(a)所示;另一種是板翹結(jié)構(gòu)的［1］，如圖1(b)。本研究以常用的扁平蛇形結(jié)構(gòu)作為對象來設(shè)計(jì)。

圖1 冷板的結(jié)構(gòu)

在冷板設(shè)計(jì)時，主要控制冷板表面的溫度，使之優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)要求，保證電子器件工作在允許溫度內(nèi)。現(xiàn)在冷板的所用的材料導(dǎo)熱系數(shù)都比較高，加之冷板傳熱均勻的特點(diǎn)，在精確度要求不高的情況下，可近似的認(rèn)為其溫度分布為恒壁溫，計(jì)算過程如下:

(1)先根據(jù)給定的功率，冷卻液的進(jìn)口溫度獲得其出口溫，以及定性溫度。

定性溫度為:tf=(t1+t2)/2，根據(jù)定性溫度可獲得冷卻液的一系列物理參數(shù)。

式中:φ為功率;qm為質(zhì)量流量;Cp1為冷卻劑的比熱; t2為出口溫度;t1為進(jìn)口溫度。

(2)求雷諾數(shù)

式中:U為流速;D為當(dāng)量直徑;γf為定性溫度下冷卻劑的運(yùn)動粘度。

(3)獲得近似冷板溫度

根據(jù)迪圖斯－貝爾特公式算出努塞爾數(shù):

式中:Prf為定性溫度下冷卻劑的普朗特?cái)?shù);A為換熱面積。

(4)計(jì)算努塞爾數(shù)

紊流時根據(jù)格尼林斯基公式得到:

式中:l為管長;ηw為壁溫下冷卻劑的動力粘度;ηf為定性溫度下冷卻劑的動力粘度;Prw為近似溫度下冷卻劑的普朗特?cái)?shù)。

(5)計(jì)算冷板的平均溫度

冷板中壓力損失可以分為兩種:一種是直流段中，粘性力占主導(dǎo)地位的沿程壓力損失;另一種是在流道方向改變引起的局部壓力損失。這兩種壓力損失的計(jì)算過程如下。

(1)沿程壓力損失

式中:λ為沿程阻力系數(shù)，與雷諾數(shù)和管壁的絕對粗糙度有關(guān)。

λ的具體計(jì)算如下:

式中:fr為絕對粗糙度。

各種材料的管壁的絕對粗糙度的選擇如表1所列［3］。

表1 各種材料管內(nèi)壁絕對粗糙度 /mm

(2)局部壓力損失

一般冷板中的管道的彎角都為90°，90°的局部壓力損失計(jì)算公式如下:

式中:ξ=0.13+1.85(D/2R)3.5;R為彎頭半徑，如圖2所示。

由上式可得出總的壓力損失Δp:

式中:n為冷板流道中90°彎頭的個數(shù)。

3 程序?qū)崿F(xiàn)與驗(yàn)證

根據(jù)以上的計(jì)算分析過程，可以得到我們想要的壁溫和壓力損失。最后根據(jù)上面的計(jì)算過程編寫程序。整個程序基于Windows窗體應(yīng)用程序的框架，應(yīng)用窗體控件庫提供的各種控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和顯示。冷卻液的各物理參數(shù)與溫度息息相關(guān)，將各個溫度下的物體參數(shù)用MATLAB擬合成曲線方程，供程序調(diào)用，擬合的冷卻液有兩種:水和JSFDG－60。最后整個程序?qū)崿F(xiàn)的界面如圖3所示，只要在左側(cè)輸入必要的參數(shù)，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，就會顯示出計(jì)算結(jié)果。結(jié)果包括最終的冷板壁溫和壓力損失，還包括計(jì)算過程中的一些重要的中間數(shù)據(jù)，可以用來比較核實(shí)。而說明這個按鈕則是開始它的幫助文件，里面主要有整個計(jì)算過程的詳細(xì)說明。

圖2 90°彎頭半徑示意圖

圖3 冷板計(jì)算的界面

程序編制完成后，我們將它的計(jì)算結(jié)果和用仿真軟件FloEFD算出來的結(jié)果進(jìn)行比較。計(jì)算的結(jié)果如圖3所示，仿真的結(jié)果如圖4所示，圖3中冷板的壁溫為62.9°，壓力損失為1.6MPa;圖4的冷板壁溫為68.8°，壓力損失1.3 MPa，誤差在可接受范圍內(nèi)，達(dá)到程序設(shè)計(jì)的目的。

圖4 FloEFD仿真結(jié)果

4 結(jié)語

這種程序計(jì)算應(yīng)用起來比較簡單，不是很了解計(jì)算過程的設(shè)計(jì)人員也可使用，它不需要特殊的軟、硬件環(huán)境，適合在理論設(shè)計(jì)或在項(xiàng)目方案階段進(jìn)行一些概念性的設(shè)計(jì)計(jì)算且節(jié)約時間。由于熱力學(xué)理論大部分建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，這個程序計(jì)算中采用的也都是一些經(jīng)驗(yàn)公式，在精度方面有所欠缺，可以在下一步繼續(xù)改進(jìn)。

［1］ 邱成珶.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2004.

［2］ 楊世銘.傳熱學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［3］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(液壓傳動)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

A Simple Method for Calculating of Liquid Cold Plate Channel

SHEN Wei－wei
(No.36 Research Institute of CETC，Jiaχing Zhejiang 314033，China)

The most important thing in liquid－cooling system design is to determine channel parameters，and in engineering it is usually done by manual calculation or software emulation.But in the phase of project evaluation，scheme needs to be modified many times，therefore manual calculation is too complicated，while software emulation takes too long.In this paper a way is explored to simplify the process by coding a formula into the program of liquid－cooling channel which can offer certain degree of accuracy and time efficiency and also offer an effective method for project evaluation.

channel;wall temperature;pressure loss;program design

TH123

A

1007－4414(2013)05－0088－03

2013－08－23

沈巍巍(1984－)，男，浙江臺州人，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。