超輕多孔金屬材料梯度結構換熱性能研究

趙亮，吳波，文雯，張豐華

（西安航空計算技術研究所，西安 710068）

0 引言

機載電子系統性能不斷提高，高功耗、高熱流密度芯片大量采用，新型機載電子設備質量、體積不斷減小，傳統散熱方式已無法滿足散熱需求，矛盾十分突出。超輕多孔金屬材料由于其多孔網狀結構，擾流作用更加明顯，換熱性能更高。但其流阻相比于機載電子設備傳統直齒多孔翅片高出數倍。本文提出超輕多孔金屬材料梯度結構，建立數值仿真模型，通過數值仿真計算，研究超輕多孔金屬材料梯度結構換熱性能和流阻特性，為超輕多孔金屬材料結構優化及在機載散熱領域的運用奠定基礎。

1 超輕多孔金屬材料換熱

由于傳統翅片散熱材料成本低、安裝方便，已經在機載電子產品散熱中得到了廣泛應用。為了強化其傳熱性能，通常采用增加翅片數量來擴展翅片面積；或者改變肋片形狀和加入擾流元件，以破壞流體邊界層而增強流體擾動，從而強化換熱。傳統肋片散熱材料的換熱性能已不能滿足日益提高的機載電子產品散熱要求。超輕多孔金屬作為一種多孔介質材料能夠有效強化傳熱，已經在國外文獻中得到了驗證[1]。

美國利用超輕多孔金屬材料結構的高導熱系數和高比表面積，直接作為強制對流的傳熱表面，開發出航天器緊湊型換熱器[2]。圖1為NASA設計的航天器緊湊型換熱器外形及其內部填充的開孔多孔鋁。

圖1 內部填充多孔金屬鋁的航天器緊湊型換熱器

馬里蘭大學與三星公司電子中心合作，開展了超輕多孔金屬銅的換熱性能研究，分別針對95%孔隙率10 ppi，95%孔隙率20 ppi，92%孔隙率20 ppi的超輕多孔金屬銅在長37 mm、寬10 mm、深7 mm的通道內進行了換熱實驗研究，最終表明超輕多孔金屬具有良好的增強換熱的效果[3]，如圖2所示。

圖2 三星公司超輕多孔金屬銅試驗測試

2 超輕多孔金屬材料梯度結構

超輕多孔金屬材料良好的對流換熱性能和較差的阻力性能是一對矛盾，如何既發揮超輕多孔金屬的換熱性能，又降低其流動阻力是超輕多孔金屬材料換熱結構優化的目標。

超輕多孔金屬材料作為換熱結構，現有文獻多為均勻多孔結構，即超輕多孔金屬結構內孔洞分布在宏觀上是均勻分布結構。本文提出一種梯度超輕多孔金屬結構，梯度結構的超輕多孔金屬材料具有非均勻孔隙結構，可實現多孔材料高導熱、低流阻要求，大幅提高機載電子系統換熱能力。熱流在機載電子系統散熱結構中的傳導及對流路徑如圖3所示，梯度結構靠近底部熱流的孔密度高，可有效提高導熱能力，使熱流更快地向遠端傳導，提高換熱效率。在遠端通過低孔密度多孔金屬降低流體阻力。達到既發揮多孔金屬換熱性能優勢，又避免流阻過大劣勢的目的。

圖3 梯度多孔金屬示意

3 超輕多孔金屬材料梯度結構數值仿真模型

超輕多孔金屬材料結構孔隙率直接影響多孔金屬的質量，目前超輕多孔金屬最高孔隙率為95%，即相同材質時95%孔隙率多孔金屬相比其它空隙率為最輕結構，20 ppi多孔金屬胞徑為2.1 mm，10 ppi多孔金屬的胞徑為4.2 mm，20 ppi與10 ppi的當量胞徑尺寸適合機載電子設備，故研究95%孔隙率、孔密度為20 ppi和10 ppi組合的梯度多孔金屬。將20 ppi高孔密度的多孔金屬靠近熱流面可以更有效地傳導熱量，熱量可以更快地向遠端傳導，有利于換熱。將10 ppi的低孔密度多孔金屬布置在熱流遠端可以增大孔徑，降低流阻。20 ppi的當量直徑為2.1 mm，10 ppi的當量直徑為4.2 mm，在建立梯度模型時底部至少有一層完整的20 ppi多孔金屬其最小厚度為2.1 mm，頂部至少有一層完整的10 ppi多孔金屬結構，其厚度為4.2 mm。多孔金屬換熱結構的高度為10 mm，20 ppi多孔金屬的高度變化范圍在21%～58%。分別建立20 ppi多孔金屬21%梯度結構（模型命名為TD21,下同)、30%梯度結構（TD30）、40%梯度結構（TD40）、50%梯度結構（TD50）、58%梯度結構（TD58），如圖4所示。

圖4 20ppi多孔金屬21%、30%、40%、50%、58%梯度結構

4 超輕多孔金屬材料梯度結構換熱性能仿真

對上述不同梯度結構模型進行換熱性能數值仿真分析，20 ppi多孔金屬50%仿真模型如圖5所示。

圖5 20ppi多孔金屬50%梯度結構仿真模型

20 ppi多孔金屬50%梯度多孔金屬溫度場如圖6所示。20 ppi 多孔金屬50%梯度多孔金屬靜壓場如圖7所示。

圖6 50%梯度多孔金屬溫度場

圖7 50%梯度多孔金屬靜壓場

通過換熱性能仿真得到了不同梯度結構時底面溫度T隨熱流密度q的變化曲線如圖8所示。隨著熱流密度的升高，多孔金屬底面溫度值逐漸升高。58%和50%梯度結構底面溫度相對其它梯度結構底面溫度更低。可以看出20 ppi 多孔金屬比例 大 于50%時，梯度多孔金屬換熱更有優勢。

圖8 梯度多孔金屬底面溫度變化趨勢

通過換熱性能仿真得到了不同梯度結構時壓差ΔP隨熱流密度q的變化曲線如圖9所示。隨著熱流密度的升高，多孔金屬壓差值逐漸升高。隨著20 ppi多孔金屬所占比例的增加，壓差逐漸增加。可以看出58%和50%梯度結構底面溫度相對其它梯度結構壓差更高，但大幅低于20 ppi均勻多孔金屬。

圖9 梯度多孔金屬壓差變化趨勢

填充梯度多孔金屬對換熱性能和流動的影響規律如圖10和圖11所示。由圖可知，當填充梯度多孔金屬時，與填充單一孔密度多孔金屬類似，Nu也隨著Re的增加而增加，阻力系數f隨著Re的遞增而下降。

圖10 梯度多孔金屬換熱性能

圖11 梯度多孔金屬阻力性能

20 ppi多孔金屬梯度比例從21%到58%變化時，20 ppi多孔金屬所占比例為58%時其努塞爾數最高，換熱性能最優。其主要原因在于20 ppi 所占比例的增加，增加了熱量向上傳導的路徑，增大了換熱面積，同時孔徑更小增強了擾流作用。

20 ppi多孔金屬梯度比例從21%到58%變化時，20 ppi多孔金屬所占比例為58%時其阻力系數f最高，阻力大于其它梯度金屬，但較20 ppi均勻多孔金屬阻力系數大幅降低。其主要原因在于10 ppi多孔金屬孔徑更大，增加了氣流的通過截面，流動阻力更小，達到了降低系統阻力的目的。

引用換熱與阻力的綜合性能因子i=(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3來表征梯度多孔金屬對流換熱的綜合性能[4]，其中下標0代表空氣直接流過空槽時的理論值。綜合性能因子i如圖12所示，可以得到以下結論：1）10 ppi均勻多孔金屬、20 ppi均勻多孔金屬、梯度多孔金屬綜合性能因子呈現“高跟鞋”狀態。當填充梯度多孔金屬時，與填充單一孔密度多孔金屬類似，在279＜Re＜418時范圍內出現綜合性能因子高點，綜合性能最優。2）當雷諾數Re＜418時，10 ppi均勻多孔金屬綜合性能最優。3）當雷諾數418＜Re＜942時，20 ppi均勻多孔金屬綜合性能最優。4）當雷諾數Re＞942時，50%梯度結構多孔金屬綜合性能最優。

圖12 梯度多孔金屬綜合性能因子i

5 結論

通過對超輕多孔金屬材料梯度結構換熱性能的數值仿真研究可以看出，超輕多孔金屬材料梯度結構保留了多孔金屬換熱性能優勢的同時降低了系統阻力，解決了填充多孔金屬后雖然具有良好的換熱性能但壓降較大的問題，更具有優勢，更適應替代傳統翅片結構，更有利于機載電子設備散熱。通過合理設計多孔金屬梯度結構，能夠在強化換熱的基礎上，有效地降低系統流動阻力，從而得到較好的綜合評價性能。