基于CFD技術(shù)的水冷板結(jié)構(gòu)仿真分析研究

張繼陽(yáng) 郭榮榮

摘 要：水冷板結(jié)構(gòu)在多種散熱裝置中使用，其結(jié)構(gòu)是影響散熱效果的關(guān)鍵因素。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）在工業(yè)設(shè)計(jì)中被大量應(yīng)用，很多學(xué)者也將其引入計(jì)算散熱板的結(jié)構(gòu)中，提高了水冷板設(shè)計(jì)效率。本文主要借用CFD軟件，對(duì)水冷板進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)和對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，計(jì)算出水冷板的內(nèi)部流速，為進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水冷板；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；散熱；仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TH132.46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）17-0071-02

Simulation and Analysis of Water-cooled Plate Structure

Based on CFD Technology

ZHANG Jiyang GUO Rongrong

Abstract： The cold plate structure is used in many kinds of heat dissipation devices， and its structure is the key factor affecting the heat dissipation effect. With the application of computational fluid dynamics （CFD） in industrial design， many scholars have introduced it into the structure of heat dissipating plate to improve the efficiency of the design of water cooled plate. In this paper， the CFD software was used to model the structure of water cooled plate. By setting the corresponding parameters and dividing the model network， the internal flow velocity of the cold plate was calculated， which provided a theoretical basis for further optimization.

Keywords： water-cooled plate；computational fluid dynamics；heat dissipation；simulation analysis

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)物進(jìn)行建模仿真計(jì)算，得出相應(yīng)的仿真圖形。計(jì)算流體力學(xué)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其計(jì)算和仿真精度有了較大提升，在多種領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如航天器、航海器、軌道交通、汽車(chē)、建筑和橋梁等領(lǐng)域[1]。

水冷板的應(yīng)用也很廣泛，其結(jié)構(gòu)的合理性和高效性對(duì)產(chǎn)品性能起著關(guān)鍵作用，如一些機(jī)械裝置在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，為了能更好地將熱量散發(fā)出去，提高機(jī)械裝置的工作效率，可加入結(jié)構(gòu)合理的水冷板，將熱量帶出去[2]。

為了有效提高水冷板的工作效率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，引入CFD對(duì)水冷板的流速和流道進(jìn)行分析，首先對(duì)水冷板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，生成三維模型，然后對(duì)水冷板流道進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水冷板結(jié)構(gòu)的有效優(yōu)化，全面提高水冷板的可靠性和高效性。

1 水冷板的應(yīng)用

目前，電池行業(yè)發(fā)展迅速。在使用過(guò)程中，電池會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致其內(nèi)部溫度升高，如果無(wú)法將這部分熱量散發(fā)出去，則會(huì)對(duì)電池的性能產(chǎn)生較大影響，降低其安全性，甚至?xí)闺姵貎?nèi)部發(fā)生短路，造成電池起火爆炸。

為了避免此類(lèi)事故的發(fā)生，在電池中間加入水冷板。電池工作時(shí)，水冷板將電池產(chǎn)生的熱量帶出去，形成一個(gè)水路循環(huán)，時(shí)刻對(duì)電池的工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本文引入一個(gè)實(shí)際方案對(duì)水冷板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。水冷板的流道幾何模型如圖1所示。

水冷板為一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口，水循環(huán)的過(guò)程由外部的水泵控制。

2 材料的熱力學(xué)性能

該液冷板采用AL5052材料，吹脹成型；冷卻液采用50%乙二醇和50%水混合液。主要材料熱特性如表1所示。

設(shè)置模型的邊界條件為：進(jìn)口為速度進(jìn)口，出口為壓力出口，則冷卻液流量Q為：

[Q=V×S=1×24=24L/s]

其中，[V]為進(jìn)口速度，[S]為進(jìn)口處截面積。

3 仿真分析

3.1 圖形建立

對(duì)水冷板的模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析，分別建立冷卻液所流過(guò)處的離散模型。其中，將液冷管路系統(tǒng)的入口和出口分別設(shè)在下、上側(cè)，電芯模組的熱功率等效施加在液冷板的上側(cè)表面上。通過(guò)CFD設(shè)置模型參數(shù)、相應(yīng)的水路走向及模型網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，通過(guò)軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水冷板網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析的動(dòng)態(tài)，獲得模型迭代。

3.2 仿真結(jié)果

圖2和圖3分別為速度矢量圖、壓力云圖。從流速分布結(jié)果可知，沿主管路方向，離入口距離越大，流量分配越小，較不均勻。

圖4和圖5分別是水冷板進(jìn)出水口的速度及壓力值。通過(guò)仿真分析可以得出，進(jìn)出口的速度相差無(wú)幾，進(jìn)水口的壓力值大于出水口。仿真分析得出，液冷板流量分配存在較大的不均勻性，多處出現(xiàn)了冷卻液速度矢量突變的情況，存在較大的阻力損失。水冷板結(jié)構(gòu)模型還需進(jìn)一步優(yōu)化。

通過(guò)以上仿真分析可以得到水冷板的設(shè)計(jì)缺陷，通過(guò)進(jìn)一步的修改模型，進(jìn)行新一輪的仿真分析，得出更合理的結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要引入CFD軟件對(duì)水冷板進(jìn)行仿真分析。一方面提高了水冷板的散熱效率，另一方面降低了材料成本，在一定程度上解決了水冷板高效散熱等問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]施衛(wèi)東，李啟鋒，陸偉剛，等.基于CFD的離心泵軸向力計(jì)算與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009（1）：60-63.

[2]袁鳳東，由世俊，高立江.基于CFD的地鐵用軸流風(fēng)機(jī)性能模擬[J].流體機(jī)械，2006（5）：26-30.