超輕多孔金屬材料數(shù)值仿真與實驗測試*

趙 亮，吳 波，文 雯，張豐華，周 堯

(西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

超輕多孔金屬材料兼具金屬和多孔材料兩者的結(jié)構(gòu)特點和優(yōu)異性能。其不但具有良好的傳導性、沖擊韌性、抗熱振性、可焊性以及便于加工和安裝等金屬的特性，同時具有體積密度小、相對質(zhì)量輕、比表面積大、比力學性能高、阻尼性能好等多孔材料特性。由于其重量輕，比表面積大的特點，在質(zhì)量和體積皆受限制的在換熱器散熱、微電子冷卻、航空航天回熱器等領(lǐng)域具有十分廣闊的應用前景[1]。

超輕多孔金屬材料可以應用于機載電子系統(tǒng)散熱，改進原有散熱器結(jié)構(gòu)，可以達到強化散熱性能同時減輕系統(tǒng)重量的效果。由于超輕多孔金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復雜，表征參數(shù)多，換熱性能影響因素多，目前對于其強迫對流換熱模型的研究還不夠完善。

筆者針對超輕多孔金屬材料建立了十四面體精細結(jié)構(gòu)模型、強迫對流換熱模型，開展了對流換熱仿真及實驗測試驗證，為超輕多孔金屬材料結(jié)構(gòu)在機載電子散熱領(lǐng)域應用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 超輕多孔金屬材料微觀結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)機載電子設(shè)備對流換熱直齒多孔翅片，孔隙率95% 孔密度10PPi(以下稱為10PPi)，孔隙率95%孔密度20PPi(以下稱為20PPi)超輕多孔金屬銅材料如圖1所示。

圖1 直齒多孔翅片、10PPi多孔金屬銅、20PPi多孔金屬銅

超輕多孔金屬材料微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)形式，Kelvin提出了一種十四面體結(jié)構(gòu)符合空間平均統(tǒng)計意義上的超輕多孔金屬材料幾何結(jié)構(gòu)特征，多孔結(jié)構(gòu)材料成形過程中為獲得最小表面能而出現(xiàn)概率最大的一種理想形狀[2]。十四面體是一種理想的結(jié)構(gòu)，在泡沫孔自然發(fā)泡過程中十四面體結(jié)構(gòu)最容易形成，當銅或者其它金屬處于熔融狀態(tài)時，發(fā)泡氣體吹入，氣泡孔產(chǎn)生，氣泡被釋放到周圍，包裹自身在一個可以達到的空間內(nèi)，趨于一種自然的穩(wěn)態(tài)，表面能最低。氣泡表面能最小時孔胞呈現(xiàn)14面體結(jié)構(gòu)，孔洞呈現(xiàn)六面體形狀，微觀結(jié)構(gòu)[3]如圖2所示。

圖2 超輕多孔金屬掃描電鏡圖

超輕多孔金屬孔密度為10PPi，定義為每英寸上有10個孔，即孔徑dp為2.54 mm，孔徑dp一般為氣泡胞徑d的50%～70%[4]，本文采用孔徑dp等于氣泡胞徑d的60%來計算氣泡胞體直徑。超輕多孔金屬孔徑及胞徑參數(shù)如表1所列。

表1 孔徑及胞徑參數(shù)

2 超輕多孔金屬材料十四面體結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)多孔金屬材料微觀結(jié)構(gòu)及孔徑、胞徑參數(shù)，利用Inventor三維建模軟件建立孔隙率95%孔密度10PPi超輕多孔金屬十四面體結(jié)構(gòu)單胞精細三維模型如圖3所示，單胞模型為十四面體，8個六邊形和6個四邊形組成。

圖3 超輕多孔金屬十四面體單胞精細模型 圖4 孔隙率計算

超輕多孔金屬孔隙率和孔密度是超輕多孔金屬的兩個重要特征參數(shù)，以下對比十四面體結(jié)構(gòu)單胞精細三維模型的孔隙率和孔密度。

孔隙率利用Inventor三維建模軟件讀取無孔實體結(jié)構(gòu)時體積為37.886 mm3，有孔體積為2.295 mm3，孔隙率為93.9%，與理論孔隙率95%的誤差為1.2%，十分精確，如圖4所示。

孔密度利用Inventor測量三維模型孔徑為0.002 035 mm，孔密度10PPi時的孔徑理論值為0.002 54 mm，十四面體結(jié)構(gòu)單胞精細三維模型孔徑與理論的誤差為8%，十分精確。

通過以上對比，可以看出十四面體結(jié)構(gòu)單胞精細三維模型的孔隙率和孔密度兩個特征尺寸與理論值誤差很小，可以用于仿真模型建立及計算。

3 超輕多孔金屬材料對流換熱仿真

超輕多孔金屬材料結(jié)構(gòu)具有非常大的比表面積和良好的換熱性能，在強迫對流情況下，具有很強的換熱能力。采用超輕多孔金屬材料作為機載電子系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)時，一般結(jié)構(gòu)尺寸較大，超輕多孔金屬材料全部建成精細的十四面體結(jié)構(gòu)模型，模型太復雜，網(wǎng)格太多，無法計算，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復雜性給強化換熱分析帶來了很大的難度，必須對換熱模型進行簡化，文中建立等效對流換熱模型進行換熱和流阻分析。

超輕多孔金屬材料結(jié)構(gòu)原理樣件及結(jié)構(gòu)尺寸為200 mm×51.8 mm×10 mm，模擬電子設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)件的部分區(qū)域，樣件底部設(shè)計模擬熱源安裝位置，如圖5所。截取原理樣件換熱結(jié)構(gòu)的局部作為對流換熱數(shù)值模型，建立10PPi簡化十四面體結(jié)構(gòu)模型、20PPi簡化十四面體結(jié)構(gòu)模型，直齒多孔翅片簡化模型，其高度尺寸為10 mm，長度為33.6 mm，寬度為4.2 mm，如圖6所示。

圖5 實驗原理樣件

圖6 對流換熱模型

將對流換熱模型導入熱流體數(shù)值仿真軟件FloEFD，在FloEFD軟件中進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格級別設(shè)置為3級，最小縫隙尺寸設(shè)置為0.001 m，最壁面尺寸設(shè)置為0.000 5 m，十四面體簡化模型劃分網(wǎng)格如圖7所示。

圖7 10PPi多孔金屬對流模型網(wǎng)格劃分

邊界條件設(shè)置依據(jù)十四面體簡化模型底面熱流密度與實驗模型一致，采用壁面恒熱流密度作為邊界條件，風量按照GJB2882要求風量進行設(shè)置，環(huán)境溫度設(shè)置為26 ℃。

分別仿真了10PPi超輕多孔銅，20PPi超輕多孔銅，直齒多孔翅片三種模型，仿真結(jié)果如圖8所示，可以得到以下結(jié)論。

圖8 不同熱流密度下?lián)Q熱系數(shù)圖

(1) 隨著熱流密度越大，超輕多孔金屬的換熱效果更加明顯，換熱效果20PPi超輕多孔銅>直齒多孔翅片>10PPi超輕多孔銅。

(2) 熱流密度0.54 W/cm2時，采用20PPi超輕多孔銅的換熱系數(shù)為290.2 W/m2k比傳統(tǒng)翅片換熱系數(shù)249.5 W/m2k提高了16.3%，超輕多孔金屬結(jié)構(gòu)的強化換熱效果非常明顯。

(3) 20PPi超輕多孔銅，直齒多孔翅片，10PPi超輕多孔銅仿真溫度場云圖如圖9所示。從圖中可以看出超輕多孔金屬溫度場更加均勻，入口段更短，翅片溫度場溫度梯度大，入口段更長，超輕多孔金屬增強擾流作用明顯。

圖9 仿真溫度場云圖

4 超輕多孔金屬材料實驗測試驗證

超輕多孔金屬材料原理樣件測試系統(tǒng)如圖10所示，由超輕多孔金屬樣件、供風設(shè)備、直流電源、數(shù)據(jù)采集器、模擬熱源、PC機、斜管壓力計等組成，原理樣件在實驗室環(huán)境條件下進行測試。供風設(shè)備為超輕多孔金屬原理樣件提供冷卻空氣，采用直流穩(wěn)壓電源為模擬熱源供電，根據(jù)GJB2882要求提供系統(tǒng)供風量，采用風速計測量供風風量，采用斜管壓力計測量系統(tǒng)壓降值，使用FLUKE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量多孔金屬原理樣件溫度值，在PC機上讀取模擬熱源溫度值。

圖10 超輕多孔金屬測試系統(tǒng)

20PPi超輕多孔銅實驗測如圖11所示，通過實驗測試根據(jù)公式計算換熱系數(shù)：

圖11 20PPi超輕多孔銅實驗測試

h=Q/A/(Tw-Tf)

(1)

式中：Q為散熱功耗；A為底部加熱面面積；Tw為加熱面的平均壁面溫度；Tf為流體平均溫度；Tf等于流體入口溫度和流體出口溫度的平均值。

對20PPi超輕多孔金屬材料原理樣件進行實驗測試，對比實驗測試和數(shù)值仿真結(jié)果如圖12所示，可以看出超輕多孔金屬材料十四面體結(jié)構(gòu)單胞精細對流數(shù)值仿真模型計算的對流換熱系數(shù)與實驗值誤差在15%以內(nèi)。

圖12 實驗測試與仿真結(jié)果對比

5 結(jié) 語

通過對超輕多孔金屬材料十四面體結(jié)構(gòu)模型、對流換熱仿真、實驗測試驗證研究可以得到以下結(jié)論：十四面體結(jié)構(gòu)單胞精細三維模型可以精確的反應超輕多孔金屬材料的孔隙率和孔密度等結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。隨著熱流密度越大，超輕多孔金屬材料的換熱效果更加明顯，超輕多孔金屬材料溫度場更加均勻，增強擾流作用明顯。基于超輕多孔金屬材料十四面體結(jié)構(gòu)單胞精細對流數(shù)值仿真模型的仿真結(jié)果與實驗值誤差在15%以內(nèi)，可以應用于設(shè)計仿真驗證。