基于ansysCFX的矩形微通道液冷冷板換熱性能仿真分析

李兵強

（中國電子科技集團公司第二十研究所）

引言

隨著芯片向小型化、集成化、高速化發展，芯片熱流密度越來越大，芯片性能的有效發揮和進一步提高受到散熱瓶頸的制約。微通道液冷技術被認為是解決高熱流密度芯片散熱問題的有效方式。微通道冷板的結構原理如圖1所示。

圖1 微通道冷板結構原理圖

自上世紀80年代以來，國內外學者已對微通道液冷作了許多研究。Xu[1]對水力學直徑為30到344微米的微通道，在Re數為20到4000范圍內進行了研究，結果表明基于連續流體假設的N-S方程仍然成立。Zeighami等[2]研究了深為150微米、寬為100微米的微通道的轉捩點約為Re=1600，研究表明，對于微通道而言，層流變湍流的轉捩點提前了。

揭貴生等[3]從理論上對矩形截面微通道的結構參數與散熱熱阻的關系進行了推導，據此可對各通道參數進行優化選擇。徐德好[4]應用Flotherml軟件對系列尺寸的矩形微通道冷板進行仿真分析并驗證，獲得了冷板換熱性能與流道結構參數的關系。

綜上所述，學界目前普遍認為在不涉及相變時，連續介質假設成立，N-S方程和傅立葉導熱定律對微通道內的層流液體流動仍具有適用性。因此，基于N-S方程的CFD軟件CFX可用于對微通道換熱進行仿真分析。

本文在AWB14.0平臺下建立矩形微通道冷板的仿真模型，應用CFX分析微通道各參數對換熱性能的影響。

1 仿真模型的建立

本文利用NX7.5建立冷板的三維模型。典型結構參數為流道寬度D=0.5mm，深度H=2mm，間距T=1mm，流動方向長度L=30mm，流道數目16。芯片長×寬×高=30×16×2.5(mm)。冷板出、入水口直徑均為4mm。芯片材料為硅，冷板基體為Al5A06，冷卻介質為水。結構模型導入AWB后，在滿足網格無關性，且兼顧網格總量的前提下劃分網格（流體邊界層為4層）。最終建立的仿真模型如圖2示。

圖2 冷板仿真模型

仿真計算中對模型作如下假設和簡化：

( 1) 流體為常物性,且為定常流動；

( 2)忽略輻射和空氣自然對流散熱；

邊界條件設置如下：

( 1) 芯片和冷板的接觸面為固固傳熱，流體和冷板的接觸面為流固傳熱；

( 2) 熱源和冷板的外壁面為絕熱面；

( 3) 流體入口設為速度入口（1m/s），25℃，出口設為壓力出口（大氣壓）；

( 4) 芯片作為體熱源（折合面熱密度為50W/cm2）

2 仿真結果分析

由文獻[3]的理論分析可知，在冷板外形尺寸一定的前提下，換熱性能的影響因素主要有流量、流道深度、流道寬度、流道數目等。對微通道的換熱性能按換熱系數h1和換熱效率k評價，其定義為

式中：Q——熱源的發熱量 (W)

Asource——熱源和冷板接觸面積 (m2)

Twc——熱源表面平均溫度( ℃)

Tave——為進出口冷卻液平均溫度 (℃)

qL——冷板流量 (m3/s)

△P——進出口壓力損失 (Pa)

h1直接影響芯片的結溫，結溫的高低對其使用壽命影響很大，且一般都有結溫限制。k為換熱系數與消耗的泵源能量之比，表征冷板的換熱效率。

2.1 入口流速對冷板性能的影響

冷板結構尺寸如1所述不變，入口流速取不同值，并保證流道內Re＜1600，即符合層流狀態（后面各例同理）。換熱系數h1和效率k與入口流速關系如圖3示

換熱系數隨入口流速增大而增大，但增速趨緩；由于壓力損失急劇增加，導致效率隨流速增大而急劇減小。因此在選擇流量時應綜合考慮。在滿足散熱需求的前提下選擇小的流量較為合適。

2.2 流道深度對冷板性能的影響

換熱系數h1和效率k與流道深度H的關系如圖4示。

換熱系數隨流道深度增大而先增大，后減小，存在極大值，在深度為3mm附近；效率k隨深度增大而增大，但增速趨緩。因此，流道深度的選擇需要綜合考慮。由于從極值點再增大深度換熱效率提高并不明顯，反而犧牲了換熱系數，筆者認為取換熱系數最大的深度較為合適。

2.3 流道寬度對冷板性能的影響

換熱系數h1和效率k與流道寬度的關系如圖5示。

換熱系數隨流道寬度增大而減小，效率隨寬度增大而增大，均趨緩。因此，流道寬度的選擇需要評判換熱系數和效率的重要性，綜合考慮。

2.4 流道數目對冷板性能的影響

換熱系數h1和效率k與流道數目的關系如圖6示。

換熱系數和效率均隨流道數目增大（周期T減小）而增大，均趨緩。因此，在不顯著增加加工難度的前提下，增大流道數目可以有效提高冷板換熱系數和效率。

3 結論

（1）本文分析了流量，流道高度、寬度、數目對矩形截面微通道冷板性能的影響，得到了換熱系數和效率隨各參數的變化規律，結果對于該類型冷板的設計具有一定的指導意義。

（2）本文應用CFX仿真分析的結果與文獻[4]的相關結論一致，從而對于更為復雜的無法理論分析的微通道冷板模型，CFX仿真分析方法具有很好的應用前景。

【參考文獻】

[1]Xu,B.,Ooi,K.T.,and Wong,N.T.,2000, Experimental Investigation of Flow Friction for Liquid Flow in Microchannels，International Communications in Heat and MassTransfer, 27,pp.1165-1176.

[2]Zeighami,R.,Laser,D.,Zhou,P.,Asheghi,M.,Devasenathipathy,S.,Kenny, and Goodson, K.,2000,Experimental Investigation of Flow Transition in Micro-channel Using Micro-resolution Particle Image Velocimetry,Proceedings of ITHERM 2000,Volume II,pp.148-153

[3]揭貴生，大容量電力電子裝置中板式水冷散熱器的優化設計[J]，機械工程學報，2010年1月，第46卷第2期

[4]徐德好. 微通道液冷冷板設計與優化[J].電子機械工程，2006（2）：14-18