某液冷電源熱分析及流道流阻研究

毛麗娜，周 洋

（合肥華耀電子工業有限公司，安徽 合肥 230088）

隨著電子設備的不斷發展和熱流密度的增大，電源散熱管理愈發重要。傳統的風冷散熱對于高熱流密度功率器件逐漸受限，相對而言，液冷散熱技術日益成熟，且具備更好的散熱效果，冷卻效率更高。

但隨著高密度功率器件的應用場景增多，液冷流量需求變大，導致流阻增大。流阻是冷卻液在液冷系統中流動所受到的阻力，而流阻的大小取決于流體的性質、流動狀態和流道幾何尺寸及形狀等，且直接影響冷卻液的流動速度、壓降以及整個系統的散熱效果。因此通過研究不同形狀的流道對降低流阻具有重要意義[1]。

1 問題及環控描述

本文研究的對象為液冷彈載電源。機箱為非標準定制機箱，電源內部非均勻排布各類發熱模塊。本文中各模塊尺寸不一，需在機殼底板銑出高度不一的凸臺來提高散熱效果。為強化傳熱，降低熱阻，結構設計時對布置熱源的中間隔板的機加平面度（＜0.1mm）及光潔度（＞1.6μm）提出要求[2]，內部發熱器件與凸臺之間需填充導熱系數為1W/（m×K）導熱硅脂，并用螺釘鎖緊，導熱硅脂厚度按0.2mm 核算。機殼及相關導熱附件選用比重小、比熱容大、導熱系數高、強度、耐腐蝕性能好及容易滿足輕量化設計的鋁合金材料（2A12）。

彈載電源實際工作不僅機殼可作為儲熱熱沉，模塊本身及與模塊引腳相連印制板也承擔部分熱量的儲存，為簡化模型計算，在此僅將電源機殼及發熱模塊本身作為熱沉進行分析計算[3]。發熱模塊主要由鋁基板、PCB 板、二極管、磁性器件、灌封膠及引腳六部分組成，其中灌封膠占比較大。建模時將鋁基板考慮為2mm 鋁板，鋁基板以上簡化為高度不同的灌封膠，各材料參數如表1 所示。

表1 材料物性參數

功率器件的降額設計是使器件工作中承受的工作應力適當低于器件的額定值，從而達到降低基本失效率，提高使用可靠性的目的[4]。根據環控要求，電源需至少滿足內部發熱功率器件Ⅲ級降額要求。內部發熱的功率器件主要為大功率模塊及控制模塊，選用的模塊內部主要發熱器件為電感元件（主要為各種線圈和變壓器）和半導體二極管。其中所選電感元件允許的熱點溫度要求最高為180℃，半導體二極管類器件最高允許結溫為150℃，可見模塊內部器件的溫度降額需以半導體二極管類器件降額為準。GJB/Z35-93 元器件降額準則中規定，二極管內熱阻未知時，器件殼溫可按照低于半導體二極管類器件最高允許結溫20℃進行計算。另外，根據所選用的模塊溫度測試數據得知，二極管殼溫與模塊殼溫之間的溫差最大約為10℃左右。按照GJB/Z35-93 元器件降額準則，二極管滿足Ⅲ級降額時可知模塊允許殼溫為100℃，電源實際工況為瞬態工作模式，具體熱耗分布及工作狀況見表2。

表2 元器件熱耗工作狀況

需要說明的是：液冷工況為在環境溫度75℃下，利用液冷散熱，且單次工作時間90s，間隔10min，連續工作次數不小于3 次。

根據環控要求，需要同時滿足以下條件：

常溫下，65#冷卻液流量為4L/min，能保證連續工作；液冷入口至出口總流阻≤1MPa(流量為4L/min 時，65#冷卻液)；工作溫度：-50℃～75℃。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

本文采用的是某CAE 有限元仿真軟件（以下簡稱軟件）進行熱分析。其是快速對電子設備進行熱仿真的主流軟件，能夠快速建立仿真模型，具有優化電源散熱設計、避免過熱問題、提高系統性能、節約成本時間及輔助設計決策的特點。根據軟件建模以及電源自身的特點，建模過程中對一些對散熱影響不大的細節進行了簡化，主要包括：

1.忽略了模塊與周圍空氣的對流散熱因素。

2.忽略了所有的螺紋孔。

3.不考慮結構件表面的粗糙度。

仿真計算采用最不利于散熱極限工況所對應的參數代入，采用軟件自帶的網格劃分工具，進行模型的自動網格劃分。仿真計算模型的建立是強迫液冷機箱的重點，通常有以下兩種方式創建：

1.將真實的結構模型導入幾何模型創建單元，通過上述的簡化方式簡化，轉化為軟件可識別的仿真模型，再將簡化后的仿真模型導入軟件中，最后設置好邊界條件后完成散熱分析。

2.直接在軟件中通過選用模型庫中的模型自行建立仿真模型，設置好邊界條件后完成散熱分析。

上述的兩種建模方式仿真結果差異很小，但第二種建模方式建立的液冷流道比較復雜。相對而言，第一種方式可以直接在建立的三維模型修改流道形狀，因此本文采取的建模方式是第一種。

通過第一種建模方式分別建立兩種形狀流道的仿真模型，設置冷卻液參數、進口流速及發熱模塊的熱耗。后續的建模完成適當的細節處理，可以得到仿真模型，流道仿真模型如圖1 所示。

圖1 兩種流道仿真模型

2.2 網格劃分及結果分析

對創建的幾何模型進行網格劃分是軟件仿真的第二步，網格的質量好壞直接決定了求解計算的精度及是否可以收斂。由于實際幾何模型結構復雜，使用常規理論的解析方法得不到真實問題的解析解（A 變量沿B 變量變化的真實曲線），因此需要對熱仿真幾何模型進行網格劃分。一方面，軟件將建立的三維幾何模型進行網格劃分，得到與模型本身幾何相貼體的網格；另一方面，軟件會將計算區域內的流體空間進行網格劃分，以便計算釘子產品內部流體的流動特性和溫度分布[5]。

軟件進行網格劃分時，需要注意幾何模型、網格密度、網格類型、網格尺寸控制、網格質量等方面。同時可運用軟件提供的三種網格劃分類型：Msher-HD 網格、Hexa Cartesian 結構化網格及Hexa Unstructured非結構化網格。由于仿真模型是由外部導入，因此只能選擇Msher-HD 網格劃分，在網格劃分過程中，根據研究需求和模型復雜程度，決定網格的精細程度。通常情況下，需要在關鍵區域或具有復雜流動和熱傳輸的地方使用更密集的網格，以獲取準確的結果。可以通過設置網格尺寸參數來控制網格的大小和分布。可以使用縮放函數或網格控制選項來實現這一點。網格需檢查網格是否滿足精度要求，確保生成的網格質量良好，不出現錯位、扭曲或過分拉伸的情況。通過上述步驟，可以在軟件中進行網格劃分，并生成適合進行熱傳輸分析的網格。根據實際情況進行調整和優化，以獲得準確的熱模擬結果。根據仿真計算結果可以得到流阻分布圖，如圖2 所示。

圖2 兩種流道流阻分布

從圖2 可知，這兩種流道均能滿足環控流阻要求，第一種流道最大流阻相對較小，能和流阻要求保有較大余量。因此選擇第一種為優選流道。由仿真結果可知，在流體性質、管道長度和直徑、流速等影響因素不變的前提下，流道幾何形狀會影響流阻大小。這是因為流道的突起、收縮、彎曲或擴散等幾何特征都會引起流體運動的變化，并增加流阻。相對而言，平滑的光滑壁面可以減少摩擦阻力，進而減小流阻。因此在設計時，應盡量使流道平滑。根據第一種流道仿真計算溫度結果，在冷卻液入口溫度+25℃，流量按照進口流量4L/min 條件下，滿載下最高溫度60.5℃，遠小于模塊殼溫限值，滿足溫度要求。

3 實驗驗證

根據環控要求和仿真結果，針對第一種流道開展流阻測試實驗，改變通過被測件的流量，以流量為控制點，測量不同流量下的流阻，進行數據采集。流阻實驗規程如下：

1.實驗準備工作。將被測件的進出水口與測試臺上的進出水口接通；接通電源，打開測試臺、移動冷源和電腦開關；將移動氣壓泵的進氣口與測試臺后部供壓接口連接，并打開移動氣動增壓泵。

2.在電腦屏幕上點擊流量流阻測試實驗，進入主界面。

3.點擊開始實驗，設置各項參數，銘牌參數設置主要對工作介質進行設置，控制方式一般選擇流量控制。

4.點擊確定進入工況設置界面，在界面左下方設置被測件的流量起始工況點和最后工況點，穩定偏差一般設置為0.05，工況點個數根據被測件要求進行設置，點擊完成設置。

5.設置完成工況點后進入測量數據界面，點擊實驗開始，系統會自動開啟實驗。

6.全部實驗數據判穩后系統會自動停止供液，然后點擊輸出實驗報告和實驗數據。

開展流阻實驗的同時利用軟件進行流阻計算，通過對比驗證仿真結果是否準確。實驗得出，在4L/min流量下的流阻為22878.1pa，仿真模擬的結果和實驗監測結果相差較小，通過對比得知最大誤差為5.3%，滿足誤差范圍要求，說明仿真結果是準確、可靠的。

4 結論

本文結合結構設計和環控條件綜合考慮，分析了流道形狀對流阻的影響，得到了不同流道的流阻分布云圖。結果表明：在流體性質、管道長度和直徑、流速等不變的前提下，流道幾何形狀會影響流阻大小。在結構設計之初，在滿足散熱要求的前提下，盡量選用平滑的流道，減小摩擦阻力的同時減小流阻。

通過仿真分析和實驗結果對比，證明了CAE 仿真軟件仿真的準確性和可靠性，且可以在設計之初確定最佳的結構參數，為提前預判結構方案及環控方案的合理性和設計方案的優化提供數據支撐，對于選擇最佳流道結構尺寸和形狀，提升設計效率有促進意義，為未來電子產品的可靠性奠定了基礎。