翅柱式IGBT水冷散熱器的數(shù)值模擬

丁杰，唐玉兔

(南車株洲電力機車研究所有限公司南車電氣技術與材料工程研究院，湖南株洲 412001)

為化解強化換熱與流動阻力的矛盾，優(yōu)化水冷散熱器的設計，人們在流道結構、形式、微通道等方面做出了許多努力［1-11］。其中，文獻 ［11］就水冷散熱器入口總流量60 L/min時帶小突起棗核狀、光滑棗核狀、菱形、圓形和方形5種翅柱結構進行了對比研究，得到帶小突起棗核狀的換熱效果最佳、流動阻力較大的結論。由于該翅柱式IGBT水冷散熱器分為3個并聯(lián)的支路，采用泄壓槽的方式進行均流，其均流效果和整個散熱器的散熱效果有待研究。

為此，文中利用FLUENT軟件對泄壓槽對流量分配的影響進行研究，對水冷散熱器的散熱能力進行數(shù)值模擬。研究結果可為水冷散熱器的設計工作提供指導。

1 水冷散熱器的結構

圖1是某翅柱式IGBT水冷散熱器結構示意圖，其內(nèi)部槽道采用了并聯(lián)型和串聯(lián)型相結合的方式。

圖1 水冷散熱器結構示意圖

冷卻介質首先從入口流入，均流給3個支路，每個支路依次流經(jīng)2個IGBT元件下方的槽道帶走熱量，然后匯流到出口流出。匯流到出口的槽道設置了一段細小彎曲的泄壓槽，其作用是平衡3個支路的壓降，保證每個支路的流量相同。每個支路采用帶小突起棗核狀翅柱結構進行叉排布置，以提高換熱效果。

2 仿真策略與仿真建模

由于翅柱的細節(jié)特征尺寸很小，小突起可以對流動和傳熱產(chǎn)生很大的影響，幾何結構特征限制了網(wǎng)格的尺寸，不能對整個水冷散熱器進行仿真，否則會大大超出計算資源的限制。鑒于此，可以先對槽道內(nèi)的流體區(qū)域 (見圖2，分為有泄壓槽和無泄壓槽2個模型，用于分析泄壓槽對流量分配的影響)劃分0.2 mm尺寸的網(wǎng)格，通過單獨計算流場 (求解質量守恒方程和動量守恒方程)得到流向各支路的流量，分析泄壓槽對3個并聯(lián)支路均流的影響。然后參考文獻［11］的方法建立如圖3所示的對稱熱仿真模型，利用前面計算出的流量作為輸入條件，進行流場和溫度場的耦合計算 (求解質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程)，從而獲得準確的溫度場分布。

圖2 槽道流動仿真模型

圖3 熱仿真模型

冷卻介質使用50℃的40%乙二醇+60%水，入口流量為30 L/min。通過計算可知水冷散熱器入口的Re數(shù)為21 010，大于10 000，屬于湍流狀態(tài)。假定3個支路入口處的流量相同，計算可知支路入口處的平均流速為0.527 m/s，Re數(shù)為1 479，該值小于2 300。考慮到翅柱使流道截面積減小，流速會增加，且小突起會起到強化擾流的作用，使得翅柱之間的流動狀態(tài)難以界定，因此選擇層流和標準k-ε模型2種最具代表性的仿真模型來分析水冷散熱器內(nèi)部的流動狀態(tài)［12］。

3 槽道流動情況的仿真與分析

圖4是30 L/min入口流量時，有、無泄壓槽兩種情況分別采用標準k-ε模型計算得到的流速跡線圖，從圖中可以大致看出冷卻介質在槽道內(nèi)的流動情況，最大流速主要出現(xiàn)在轉折區(qū)域。

圖4 流速跡線圖

有泄壓槽的最大流速為2.02 m/s，比無泄壓槽的最大流速略小。利用FLUENT軟件的Report功能，可以得到3個支路的平均流速，再通過平均流速與截面積的乘積得到平均流量。有泄壓槽時，第1、2、3支路的平流流量分別為:10.021、10.028和9.953 L/min。無泄壓槽時，第1、2、3支路的平流流量分別為:10.154、9.657和10.19 L/min。說明了泄壓槽對3個支路的均流有明顯的效果。

圖5是30 L/min入口流量時，有、無泄壓槽兩種情況分別采用標準k-ε模型計算得到的截面壓力分布圖。有泄壓槽的壓降為32.23 kPa，比無泄壓槽的壓降 (35.18 kPa)稍小。

圖5 壓力分布結果

為了確定泄壓槽在不同入口流量和流動狀態(tài)下的均流效果，分別用層流模型和湍流模型對10～60 L/min入口流量進行了計算。表1列出了有、無泄壓槽的流量分配情況，可以看出:有泄壓槽時支路1、支路2和支路3的平均流速相差不足0.5%;無泄壓槽時支路1、支路2和支路3的平均流速可以相差約5%。這說明了泄壓槽可以調(diào)節(jié)各支路的壓力，使得有泄壓槽的均流效果要明顯優(yōu)于無泄壓槽的。

表1 各支路的平均流速 m/s

圖6是對入口流量為10～60 L/min、有泄壓槽水冷散熱器進行仿真得到的壓力特性曲線。入口流量逐漸增加時，壓降迅速增大。層流模型的壓降比湍流模型要小，兩種流動狀態(tài)模型的壓降差會隨著入口流量的增加而增大。

圖6 有泄壓槽水冷散熱器的壓力特性曲線

4 散熱性能的仿真與分析

從前面的分析結果可知，泄壓槽保證了3個支路流量的均勻分配，整體水冷散熱器的性能基本上可以以一個支路的散熱性能來代表。圖7—10是水冷散熱器在入口總流量為30 L/min(折算成熱仿真模型入口流速為0.527 m/s)采用標準k-ε模型進行仿真得到的計算結果。

圖7表示中間截面的流速分布，最大流速為2.03 m/s。可以看出冷卻介質非常均勻地對叉排的翅柱進行沖刷。

圖7 中間截面流速分布

圖8表示中間截面壓力分布，壓降為30.55 kPa，與整個水冷散熱器的流阻 (32.23 kPa)相比，要小一些，這是由于水冷散熱器入口段、出口段和泄壓槽也會產(chǎn)生一定的流動阻力。

圖8 中間截面壓力分布

圖9 IGBT元件安裝面溫度

圖10 表面溫度

圖9是溫度場分布結果。圖9表示IGBT元件安裝面的溫度場分布，溫度標尺采用了所見即所得方式，最高溫度為73.4℃，溫升為23.4℃，可以說明2個IGBT元件安裝面的溫度分布并不一致，且不均勻，最高溫度主要出現(xiàn)在芯片對應位置的正下方。圖10表示整體溫度場分布，IGBT元件芯片上的溫度最高，為105.96℃，溫升為55.96℃。分別用層流模型和標準k-ε湍流模型對0.175 7～1.054 m/s的入口流速 (對應水冷散熱器的入口流量為10～60 L/min)進行計算，可以得到IGBT元件芯片最高溫度和IGBT元件安裝面最高溫度隨入口流量變化的曲線，分別見圖11和圖12。隨著入口流量由10 L/min增加至30 L/min，溫度下降速度較快，入口流量繼續(xù)由30 L/min往上增加時，溫度下降的速度變得非常緩慢。隨著入口流量由10 L/min增加至60 L/min，標準k-ε湍流模型得到的溫度與層流模型的差別越來越大，湍流效應的影響越來越強。此外，還可看出入口流量為10 L/min時，芯片最高溫度會超出允許的125℃結溫限制，過小的入口流量很容易造成IGBT元件因溫度過高而損壞。

圖11 芯片最高溫度隨入口流量變化曲線

圖12 安裝面最高溫度隨入口流量變化曲線

5 結論

由于翅柱的細節(jié)特征尺寸很小，限制了網(wǎng)格的尺寸，難以對整個水冷散熱器建立完整模型進行仿真計算，因此，文中采取了先對流體區(qū)域進行計算，對比分析有、無泄壓槽對3個支路流量分配的情況，發(fā)現(xiàn)泄壓槽方式可以有效調(diào)節(jié)3個支路的壓力和流量，使得3個支路的流量基本上相等。基于流量相等的計算結果，可以充分利用對稱性來建立熱仿真模型進行散熱性能的仿真，得到了水冷散熱器在不同入口流量下的芯片最高溫度和IGBT元件安裝面最高溫度變化曲線。該方法的應用，大大降低了對計算機資源的需求，有效解決和實現(xiàn)了復雜問題的仿真計算。

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