基于CFD技術的水冷板結構仿真分析研究

張繼陽 郭榮榮

摘 要：水冷板結構在多種散熱裝置中使用，其結構是影響散熱效果的關鍵因素。隨著計算流體動力學（CFD）在工業設計中被大量應用，很多學者也將其引入計算散熱板的結構中，提高了水冷板設計效率。本文主要借用CFD軟件，對水冷板進行結構建模，通過設置相應的參數和對模型進行網絡劃分，計算出水冷板的內部流速，為進一步優化提供理論依據。

關鍵詞：水冷板；計算流體動力學；散熱；仿真分析

中圖分類號：TH132.46 文獻標識碼：A 文章編號：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

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics）主要是通過計算機對實物進行建模仿真計算，得出相應的仿真圖形。計算流體力學出現在20世紀60年代。經過多年的發展，其計算和仿真精度有了較大提升，在多種領域被廣泛應用，如航天器、航海器、軌道交通、汽車、建筑和橋梁等領域[1]。

水冷板的應用也很廣泛，其結構的合理性和高效性對產品性能起著關鍵作用，如一些機械裝置在運行過程中會產生熱量，為了能更好地將熱量散發出去，提高機械裝置的工作效率，可加入結構合理的水冷板，將熱量帶出去[2]。

為了有效提高水冷板的工作效率和結構強度，引入CFD對水冷板的流速和流道進行分析，首先對水冷板的結構進行建模，生成三維模型，然后對水冷板流道進行分析，從而實現對水冷板結構的有效優化，全面提高水冷板的可靠性和高效性。

1 水冷板的應用

目前，電池行業發展迅速。在使用過程中，電池會產生大量的熱，導致其內部溫度升高，如果無法將這部分熱量散發出去，則會對電池的性能產生較大影響，降低其安全性，甚至會使電池內部發生短路，造成電池起火爆炸。

為了避免此類事故的發生，在電池中間加入水冷板。電池工作時，水冷板將電池產生的熱量帶出去，形成一個水路循環，時刻對電池的工作環境進行調節。

本文引入一個實際方案對水冷板的結構進行分析。水冷板的流道幾何模型如圖1所示。

水冷板為一個進水口和一個出水口，水循環的過程由外部的水泵控制。

2 材料的熱力學性能

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。

設置模型的邊界條件為：進口為速度進口，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]為進口速度，[S]為進口處截面積。

3 仿真分析

3.1 圖形建立

對水冷板的模型進行網絡結構分析，分別建立冷卻液所流過處的離散模型。其中，將液冷管路系統的入口和出口分別設在下、上側，電芯模組的熱功率等效施加在液冷板的上側表面上。通過CFD設置模型參數、相應的水路走向及模型網絡。同時，通過軟件可以實時監控水冷板網絡結構分析的動態，獲得模型迭代。

3.2 仿真結果

圖2和圖3分別為速度矢量圖、壓力云圖。從流速分布結果可知，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分別是水冷板進出水口的速度及壓力值。通過仿真分析可以得出，進出口的速度相差無幾，進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。水冷板結構模型還需進一步優化。

通過以上仿真分析可以得到水冷板的設計缺陷，通過進一步的修改模型，進行新一輪的仿真分析，得出更合理的結構。

4 結語

本文主要引入CFD軟件對水冷板進行仿真分析。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題。

參考文獻：

[1]施衛東，李啟鋒，陸偉剛，等.基于CFD的離心泵軸向力計算與試驗[J].農業機械學報，2009（1）：60-63.

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