微小通道液冷板熱控及壓降特性數值模擬研究

趙亮

（1.西南電子技術研究所，成都 610036；2. 四川省空天電子裝備環境適應性技術工程實驗室，成都 610036）

引言

隨著電工電子技術的快速發展，電子設備日益小型化、微型化，這就導致電子設備的熱流密度急劇增加，使得電子設備在運行過程中溫度急劇升高，過高的溫度不僅會影響電子設備的正常運行，還會在一定程度上影響電子設備的壽命[1]。因此，電子設備熱控已成為制約電子設備技術發展的核心問題之一。

電子設備的熱控方式一般分為自然冷卻、強迫風冷和液冷三種方式[2]。自然冷卻效率低，只適宜于低熱流密度電子設備；強迫風冷是通過在電子設備結構中增加風機，并配合翅片結構實現電子元器件的散熱，這種方式具有結構簡單、安裝方便、使用安全、成本低等特點，廣泛應用于電子設備熱控中，但是其熱控能力有限，難以滿足高熱流密度電子設備熱控需求。液冷技術是通過液體工質在散熱器中流動來帶走電子設備的熱量，具有結構緊湊、換熱效率高的特點，隨著微機電技術的發展，微小通道液冷板由于其更高的熱控能力被國內外學者廣泛研究。Weilin Qu和Issam Mudawar[3]結合試驗對比分析了不同幾何結構下微小通道換熱能力、溫度分布及壓降特性，證明了納維-斯托克方程和能量方程能夠準確描述微小通道的流動換熱特性；C.J.Ho等[4]通過在液冷工質中添加Al2O3納米粒子和相變材料微膠囊進一步提高了微小通道液冷冷板的換熱性能；Vivek Kumar 和Jahar Sarkar[5]試驗研究了在微小通道中采用不同種類納米流體時，微小通道液冷板的熱控性能和壓降變化，結果表面納米流體能夠有效提高冷板的熱控性能，但是會顯著增加其流阻。Ahmad Ali Awais 和Man-Hoe Kim[6]將數值模擬與試驗方法相結合分析了不同微小通道幾何結構、納米粒子組分比和液冷工質流速對微小通道液冷冷板的換熱效率、熱阻及基底溫度的影響，結果表明微小通道的結構特征能夠顯著影響冷板的熱控特性；X.L.Xie等[7]通過數值模擬方法深入分析了不同幾何結構下微小通道液冷冷板的壓降特性和換熱性能，得出了一種優化的20 mm×20 mm微小通道液冷冷板結構；李聰[8]構建了不同結構的分形微通道結構，并在此基礎上分析了納米流體在分形微通道中的流動特性，得出納米流體比純基液的熱控性能更好，但是其壓降更高。唐清林[9]設計了一種反向斜截微通道結構，并詳細分析了這種微通道的流動、傳熱特性及壁面均溫性。項宏波等[10]針對變頻器發熱問題，設計了一種S型微通道散熱模塊，通過數值模擬和試驗比較發現這種S型微通道散熱模塊的熱阻相比銅圓管鑄鋁散熱模塊降低了20.38 %。范賢光等[11]設計了四種具有對稱和等距凹槽的微通道，并數值模擬了它們的熱控性能，結果表面定雷諾數條件下，三角凹槽的換熱性能最佳。

綜合上述文獻可知，微小通道的液冷冷板的熱控性能不僅受到微小通道結構及入口速度的影響，還受到液冷工質熱物性的影響。目前廣泛采用的液冷工質大多為水或者基于水的納米流體[12,13]，而近些年來，液態金屬發展迅速，其導熱系數是常用液態工質的幾十倍[14]，在微小通道液冷冷板中具有廣泛的應用空間，因此，本文采用數值模擬方法，首先對微小通道液冷冷板的幾何結構進行優化，再采用水、納米流體和四種液態金屬對微小通道液冷冷板的熱控性能和壓降特性進行對比分析，以期能夠為液冷冷板的設計和應用提供參考。

1 模型建立及理論分析

1.1 物理模型

微小通道液冷冷板的結構如圖1（a）所示，其長度L為20 mm，包含12條流道，圖1（b）為單個流道的結構，其中底部寬度為T，翅片高度為H，基底厚度為h=2 mm，翅片的壁厚為2t=0.5 mm。在微小通道結構優化過程中，主要通過改變底部寬度T和翅片高度H來進行分析。

1.2 理論分析

1.2.1 物理假設

在分析微小通道液冷冷板熱控性能及壓降特性時，為了簡化控制方程需做如下建設：

1）流動為三維穩定不可壓縮流的層流；

2）忽略粘性耗散效應及體積力；

3）液體工質的熱物性為常值，微小通道結構材料熱物性為常值；

4）忽略輻射效應。

圖1 微通道液冷冷板結構

1.2.2控制方程

流動區域的控制方程如下：

固相區域的控制方程如下：

T—溫度；

p—壓力；

k—導熱系數；

cp—比熱容；

μ—動力粘度；

ρ—密度。

假設液冷冷板的基板下表面為定熱流邊界條件，恒定為q=1002Wcm，液冷冷板的材料為紫銅，微小通道液冷冷板所用的結構材料和液冷工質材料的熱物性如表1所示。

1.2.3 求解設置

在仿真過程中，采用ICEM軟件對計算域進行結構網格劃分，為提高仿真精確度，對近壁面的網格進行加密處理，網格單元總數為700萬左右。采用計算流體力學軟件fluent19.2進行計算分析，動量和能量方程的離散方式選擇二階迎風格式，壓力采用二階格式，采用SIMPLE算法對控制方程進行求解，壓力、密度等亞松弛因子采用默認值。

2 仿真結果分析

2.1 翅片高度的影響

采用水作為液冷工質，假設液冷工質的入口速度分別為1 m/s和0.8 m/s，當翅片的高度H分別為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm和6 mm時，通過仿真得出不同高度翅片的液冷冷板的總熱阻和壓降特性如圖2所示，由圖2可知，兩種流速下的總熱阻曲線近似平行，壓降曲線也呈近似平行狀態，說明液冷工質流速的增加能夠降低微小通道液冷冷板的總熱阻，但是其壓降會相應增加；由圖2（a）可知，隨著翅片高度的增加，液冷冷板的總熱阻逐漸減小，但是隨著翅片高度的增加，液冷冷板的總熱阻減小幅度越來越小，這說明當翅片達到一定高度后，增加翅片高度并不能有效降低液冷冷板的總熱阻，圖2（b）的液冷冷板的壓降曲線也說明隨著翅片高度的增加，液冷冷板的壓降減小幅度越來越小。由仿真結果可知，當翅片高度為6 mm時，其總熱阻約為翅片高度為5 mm時總熱阻的103.7 %，當翅片高度超過5 mm后，增加翅片高度并不能有效降低冷板總熱阻，因此后續研究將以翅片高度為5 mm進行討論分析。

表1 材料熱物性

圖2 翅片高度對冷板的性能影響

2.2 翅片間距的影響

采用水作為液冷工質，假設液冷工質的入口速度分別為1 m/s和0.8 m/s，當翅片的間距T分別為0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1 mm和1.2 mm時，不同翅片間距的液冷冷板的總熱阻和壓降特性如圖3所示，由圖3（a）和（b）可知，兩種流速下的總熱阻曲線和壓降曲線分別呈近似平行狀態，隨著翅片間距的增加，冷板的壓降和總熱阻逐漸減小，需要指出的是，當翅片間距從0.5 mm增加至1.2 mm時，總熱阻減小了大約6.4 %；當翅片間距從0.5 mm增加至0.7 mm時，冷板的壓降變化更大，減小了大約34 %，當翅片間距超過0.9 mm后，冷板的壓降變化逐漸變小。這說明改變翅片間距對總熱阻的影響較小，對冷板的壓降影響較大。

2.3 不同工質的影響

假設微小通道液冷冷板的翅片高度H為5 mm，翅片間距T為0.6 mm，在不同流速下，分別采用水、納米流體和EGaInSn液態金屬作為液冷工質的液冷冷板總熱阻和壓降變化如圖4（a）和（b）所示，由圖4（a）可知，在任何流速下，采用EGaInSn液態金屬作為工質的冷板總熱阻均遠小于采用其他兩種液態工質的冷板總熱阻，當流速為0.1 m/s時，采用EGaInSn液態金屬作為工質的冷板總熱阻為0.139 W/K，而采用納米流體作為工質的冷板總熱阻比它高21 %，采用水作為工質的冷板總熱阻比它高28 %。由圖4（b）可知，在流速為0.1 m/s時，采用三種液態工質的冷板壓降相近，但是隨著流速的增加，采用EGaInSn液態金屬作為工質的冷板壓降急劇升高，這是由于EGaInSn液態金屬的密度和動力粘度遠大于水和納米流體；采用水作為工質的冷板壓降與采用納米流體作為工質的冷板壓降接近，這主要是由于水與納米流體工質的熱物性相差較小。因此可以得出，當采用EGaInSn液態金屬作為工質時，冷板的熱控性能優于納米流體和水，但是當流速較高時，其壓降較大。

圖3 翅片間距對冷板性能的影響

圖5 為采用三種液冷工質的冷板在流速為0.1 m/s時，冷板中心截面壓力、速度和溫度分布，可以看出冷板中心三種冷板中心截面的速度場分布十分相近，溫度分布和壓力分布差異較大，當流速相同時，采用水作為工質的液冷冷板壓力梯度最小，采用納米流體作為工質的液冷冷板次之，而采用EGaInSn液態金屬作為工質的液冷冷板壓力梯度最大，相反，當流速相同時，采用水作為工質的液冷冷板溫度梯度最大，采用納米流體作為工質的液冷冷板次之，而采用EGaInSn液態金屬作為工質的液冷冷板溫度梯度最小，翅片與工質之間的溫差也最小。

2.4 不同液態金屬的影響

由前文分析可知，工質的熱物性會對微小通道液冷冷板的熱控性能和壓降特性產生重要影響，采用液態金屬的液冷冷板總熱阻明顯小于采用水和納米流體的液冷冷板總熱阻。因此，選用四種液態金屬作為液冷工質進行對比分析，圖6所示為相同結構形式的微小通道液冷冷板采用四種液態金屬在不同流速下的總熱阻和壓降變化情況，由圖6（a）可知，采用EGaInSn液態金屬作為工質的微小通道液冷冷板的總熱阻均大于其他三種，總熱阻曲線呈近似平行狀態，采用其他三種液態金屬作為工質的微小通道液冷冷板的總熱阻近似相同，這是由于EGaInSn液態金屬的比熱容和導熱系數均小于其他三種；由圖6（b）可知，隨著流速的增加，采用EGaInSn液態金屬作為工質的微小通道液冷冷板的壓降大于其他三種，采用EGaIn液態金屬作為工質的微小通道液冷冷板的壓降最小，因此可以得出EGaIn較其他三種液態金屬更能有效提高液冷冷板的熱控性能。

圖7 所示為流速為0.1 m/s時，分別采用四種液態金屬作為液冷工質的微小通道液冷冷板中心截面的壓力、溫度和速度分布云圖，在溫度云圖中，EGaIn的溫度梯度最小，EGaInSn的溫度梯度最大，而在速度云圖中，四種液態金屬工質的速度分布幾乎相同，無明顯差異，在壓力云圖中，EGaIn的壓力梯度最小，EGaInSn的壓力梯度最大，因此，說明四種液態金屬工質中EGaIn具有最佳的熱控性能和壓降特性。

3 總結

圖4 不同工質對冷板性能的影響

圖5 流速為0.1 m/s時冷板中心截面壓力、速度、溫度分布

圖6 不同液態金屬對冷板性能的影響

圖7 流速為0.1 m/s時冷板中心截面壓力、速度、溫度分布

本文采用數值模擬方法分析了微小通道液冷冷板中工質流速、翅片高度、翅片間距、不同液冷工質對冷板熱控性能和壓降特性的影響，得出以下結論：

1）增加微小通道液冷冷板中工質流速能夠降低冷板的總熱阻，但是其壓降會相應提高。

2）翅片高度的增加能夠有效降低微小通道液冷冷板的總熱阻，但是其壓降會顯著增加；翅片間距的增加能夠有效降低微小通道液冷冷板的壓降，但對總熱阻的改善并不明顯。

3）相比于水和納米流體，采用液態金屬作為液冷工質能夠有效降低微小通道液冷冷板的總熱阻，但是其壓降會明顯增加，本文所討論的四種液態金屬中，EGaIn具有最佳的熱控性能。