針翅式散熱器模塊流動傳熱特性數值優化

張芮嘉, 張亞平, 尹仁盼

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院, 西安 710054; 2.西安科技大學能源學院, 西安 710054)

近年來,由于納米技術和電子行業的不斷發展,散熱器功能的改進成為一個有爭議的問題[1-3]。高熱流密度電子器件的散熱是提高散熱器性能的首要需求[4-6]。

提高散熱器效率的方法有多種,包括幾何優化[7]、采用不同結構的散熱器(針肋[8]、微通道[9]、采用不同的冷卻液作為相變材料[10])、采用不同冷卻方式(強制對流[11]、射流沖擊[12]、噴霧冷卻[13])、散熱器表觀微結構設計[14]。Hithaish等[15]對3種不同形狀的三角形微肋片熱沉的不同幾何構型進行了流動傳熱特性的數值模擬,研究表明:較高的翅片(0.75 mm)熱性能指標略好,所有構型的散熱效率都隨著壓降的增加而顯著增加。Alam等[16]對自然冷卻主板芯片的三角形翅片式散熱器進行了數值模擬,結果表明:微針肋的熱增強因子隨著雷諾數的增加呈上升趨勢,Re在1 000～3 000時增幅最大,入口的進氣道湍流強度在15%～20%比較有利,熱增強因子約為3.66。Xie等[17]對矩形截面內具有不同長度帶有凸起的圓柱形針翅進行了強化傳熱數值研究,采用高徑比為0.2、0.4、0.6、0.8研究橢圓柱體相互包圍的相互作用,采用空氣作為工作流體,雷諾數范圍為15 000～20 000,壁面溫度均勻為306 K。結果表明,努塞爾數隨凸起高度的增加而增加,與無凸起的圓柱相比,有凸起的圓柱具有更高的傳熱速率,高徑比在0.4時最優。Niranjan等[18]對強迫對流下方形微針肋散熱器的強化傳熱進行了實驗研究,考慮了不同高度、間距和熱負荷的微肋片。結果表明:努塞爾數隨擾流柱高度和雷諾數的增大而增大,隨擾流柱間距的增大而減小。大翅片高度的散熱器以較大的壓降為代價,具有較低的熱阻。強制對流下微針肋散熱器的散熱性能比平板散熱器高10%左右。Yan等[19]對3種微圓柱針肋散熱器的流動傳熱特性進行了數值分析,工作流體為水,結果表明:交錯微針肋表現出最佳的水熱性能,魚鰭狀針肋的不同結構會影響流動的分離點,影響柱后渦的大小和相鄰柱體間的最大速度。Sakanova等[20]通過數值模擬和實驗研究了不同的針翅幾何形狀,如圓、錐和水箔形,以燃料、油和空氣為工作流體來探究散熱器的傳熱特性,結果表明:湍流流動時,除燃料外,所有幾何/流體介質下針翅型散熱器散熱特性提高1.6～2倍。You等[21]對涂覆熱輻射涂層和不同微結構表面的板翅式散熱器進行了實驗研究,結果表明:具有微結構的表面進行熱輻射涂層后,涂層與散熱器的熱傳導增強,改善了散熱性能。

現以一種針翅式散熱器模塊為研究對象進行數值模擬,進行多參數、多目標優化,不同評價指標下的各參數進行敏感度分析,優化的參數包括散熱器基座寬度、熱管蒸發端長度、針翅高度、針翅直徑和針翅間距,得到影響傳熱性能的主次順序,并挑選出優化組合。

1 數值計算模型

1.1 物理模型

圖1是一款典型針翅式散熱器結合熱管散熱的模塊結構。該模塊廣泛應用于高熱流電子器件的散熱,由加熱片、微溝槽平板熱管、針翅式散熱器組成。

圖1 物理模型

它采用強迫風冷對散熱器熱管模塊進行冷卻,模擬軸流風機向風道內提供3 m/s的風速,風道大小為10 cm×5 cm×15 cm。在熱管中心下側放置20 mm×20 mm×1 mm的銅片作為模擬熱源?？紤]到基座上針翅的對稱結構,選取散熱器及風道的一半進行數值模擬,以便于清晰地監測模塊中心部分的溫度變化和提高計算效率。針翅式散熱器材質為銅,熱管材質為鋁。

1.2 邊界條件

計算區域的邊界條件如圖2所示。由于微溝槽平板熱管具有良好的均溫性,計算中熱管假設為高導熱能力的導熱體,導熱系數設為1 000 W/(m· ℃),熱源表面設置為100 ℃恒定壁面溫度邊界條件;風道速度入口空氣流速均勻,為3.0 m/s,進口溫度20 ℃,出口邊界條件為壓力出口,計算模型的對稱面應用對稱邊界條件。整個模擬環境溫度為20 ℃。

圖2 計算域的邊界條件

1.3 數值方法

針翅散熱器采用MultiZone劃分方法,網格類型采用Hexa/Prism,并對針柱進行局部加密;熱管、模擬熱源和模擬風洞空氣域采用四面體網格劃分。利用分離隱式求解器,對模塊的散熱過程進行穩態求解,采用速度與壓力耦合采用SIMPLE算法。對計算模型進行網格無關性驗證,散熱器模塊分別選取網格間距為0.2、0.3、0.4 mm,風道選取1、1.5、2 mm進行驗證,發現網格節點的變化對針翅溫度的影響不大。因此,散熱器選取網格尺寸0.4 mm,風道選取尺寸2 mm對幾何模型進行網格劃分。

1.4 性能參數

散熱器熱阻計算公式為

R=(Tin-Tout)/Q

(1)

式(1)中:R為散熱器熱阻, ℃/W;Tin為模擬熱源的溫度, ℃;Tout為針翅末端溫度, ℃。

表征散熱器換熱性能的努塞爾數Nu和阻力系數f計算公式分別為

Nu=hD/λ

(2)

(3)

式中:h為表面換熱系數,W/(m2·K);D為空氣流體的水力直徑,m,D=2WH/(W+H),W為通道截面寬度,H為通道截面高度;λ為空氣導熱系數,W/(m·K);Δp為壓降損失,Pa;ρ為空氣密度,kg/m3;um為空氣流速,m/s;L為空氣流體流向上的散熱器長度,m。

傳熱性能綜合評價指標(performance evaluation criteria,PEC)的計算公式為

(4)

式(4)中:Nuaverage為所有模擬組合努塞爾數Nu的平均值;faverage為所有阻力系數f的平均值。

1.5 模型驗證

為驗證模型準確性,對模擬熱阻與文獻[22]實驗熱阻對比,二者的運行熱阻誤差為3.7%和6.4%。

2 正交結構方案設計

以熱管蒸發端長度、散熱器基座寬度、針翅直徑、針翅間距和針翅高度5個參數為因素,對每個因素設置4個水平。設計5因素4水平正交實驗表,如表1所示,將各因素不同水平組合搭配,得到不同組合的模塊,對其流動換熱進行數值分析,得到各因素對傳熱性能的影響趨勢,得到不同評價指標下的優化組合。

表1 正交實驗表

3 模擬結果討論

3.1 努塞爾數和阻力系數極差分析

各種正交方案下針翅式散熱器熱管模塊對流傳熱的數值模擬結果,如表2所示。分別對努塞爾數和阻力系數進行單指標極差分析,分析各因素影響努塞爾數和阻力系數的主次順序,并根據指標平均值ki挑選優化方案。從努塞爾數極差分析可知,各因素影響的主次順序是D>B>A>E>C,其優化方案是D4B2A1E3C1,如表3所示;從阻力系數極差分析可知,各因素影響的主次順序是D>B>C>A>E,其優化方案是D1B3C3A4E4如表4所示。這說明針翅間距對針肋翅片換熱性能和阻力的影響是首要的。

表2 努塞爾數和阻力系數的數值分析結果

表3 努塞爾數極差分析及優化方案

表4 阻力系數極差分析及優化方案

如圖3所示為5因素4水平對努塞爾數和阻力系數的影響趨勢圖。從圖3可知,隨著熱管長度增加,針翅的努塞爾數減小;隨著散熱器寬度增加,努塞爾數先增大后減小;隨著針翅直徑增加,努塞爾數呈減小趨勢,3水平時努塞爾數最小,4水平時回升;隨著針翅間距的增加,努塞爾數先緩慢增加后迅速增大,間距增大使風機帶來的低溫空氣流體與針翅外側熱量擾動加快,迅速散熱降溫;隨著針翅高度的增加,努塞爾數迅速增大后趨于平穩。隨著熱管長度增大,阻力系數呈減小趨勢;隨著散熱器寬度增大,阻力系數先增大后減小;隨著針翅直徑增大,阻力系數先減小后增大,3水平阻力系數最小;隨著針翅間距增大,阻力系數迅速增加;隨著針翅高度增加,阻力系數迅速增大,3水平達到峰值后迅速減小。

圖3 5因素4水平對努塞爾數和阻力系數的影響

3.2 傳熱性能綜合評價極差分析

結合努塞爾數和阻力系數提出傳熱性能綜合評價指標PEC評價相對傳熱性能,如表5所示。

表5 傳熱性能綜合評價指標PEC

以16組模擬針翅散熱器的努塞爾數和阻力系數的平均值為基準,對不同模擬組合進行極差分析,如表6所示。各因素對PEC的影響主次順序為D>E>A>B>C,即針翅間距對PEC的影響是最重要的,優化組合方案為D4E4A1B2C1。

表6 傳熱性能綜合評價指標PEC極差分析及優化方案

在以努塞爾數為評價指標的極差分析中,優化方案D4B2A1E3C1的努塞爾數為5.31,阻力系數為0.103,PEC為1.260;在以阻力系數為評價指標的極差分析中,優化方案D1B3C3A4E4的努塞爾數為2.66,阻力系數為0.055,PEC為0.770;在以PEC為評價指標的價差分析中,優化方案D4E4A1B2C1的努塞爾數為5.30,阻力系數為0.090,PEC為1.277?？梢则炞CPEC是在最大努塞爾數和最小阻力系數之間的平衡。

3.3 全因子評價

結合以上3種評價指標引入模塊降溫和熱阻,對數據去無量綱化進行全因子評價分析,采用主成分分析法對數據處理得到各評價指標的特征值和方差貢獻率,如表7所示?？煽闯銮皟蓚€因子方差貢獻率為91.387%,損失的數據信息較少,可代表初始數據。模塊的全因子評價得分如表8所示,極差分析如表9所示。

表7 方差貢獻率

表8 模塊全因子評價得分

表9 全因子評價Y極差分析及優化方案

計算成分得分系數矩陣,可知因子Y1與因子Y2表達式如下。

Y1=0.221x1+0.261x2+0.270x3+0.246x4+0.180x5

(5)

Y2=0.484x1-0.265x2-0.278x3-0.348x4+0.682x5

(6)

全因子評價指標Y的表達式為

(7)

從表9可看出,各因素全因子評價指標Y的影響主次順序為D>B>A>C>E,即針翅間距對Y的影響是首要的,最佳優化組合為D4B4A1C1E4,Y為2.07,為最佳優化組合,模塊降溫為16.28 ℃,模塊熱阻為0.265 ℃/W。

3.4 風道風速影響

圖4展示了D4B4A1C1E4組合不同風速下的溫度分布云圖。

圖4 不同風速下YZ截面溫度分布云圖

從圖4可看出,熱量從熱源開始依次傳遞給熱管、散熱器基板和針柱,針柱與風扇傳送的強冷空氣進行對流換熱使得模塊溫度降低。沿著空氣流動方向,模塊上側空氣的溫度層逐漸加厚且高溫分布區面積增大。1.0 m/s時,帶走熱量的空氣因為風速較低,較高溫度的空氣流不能迅速流通,開始向高溫針柱回流,形成了高溫渦旋。3.0 m/s和4.0 m/s時,模塊上側空氣溫度層厚度很低且幾乎無高溫區域;空氣離開模塊后,附近區域溫度層厚度降低趨勢明顯,較遠區域溫度層厚度幾乎不再變化?？梢钥闯?3.0 m/s與4.0 m/s相比,背風側風道的溫度分布均勻,無高溫渦旋發生,兩者溫度分布變化幅度很小。在滿足模塊散熱的基礎上,考慮到運營成本等,選擇3.0 m/s風速為宜。

4 結論

為研究針翅式熱管散熱器模塊結構參數對流動換熱性能的影響,采用正交實驗設計的方法對熱管長度、散熱器寬度、針翅直徑、針翅間距和針翅高度進行了數值模擬研究,得出以下結論。

(1)影響努塞爾數的主次順序為針翅間距>散熱器寬度>熱管長度>針翅高度>針翅直徑,以努塞爾數為評價指標的優化組合努塞爾數(Nu)為5.31;影響阻力系數的主次順序為針翅間距>散熱器寬度>針翅直徑>熱管長度>針翅高度,以阻力系數為評價指標的優化組合阻力系數(f)為0.055。

(2)影響PEC的主次順序為針翅間距>針翅高度>熱管長度>散熱器寬度>針翅直徑,以PEC為評價指標的優化組合PEC為1.277;影響全因子評價的主次順序為針翅間距>散熱器寬度>熱管長度>針翅直徑>針翅高度,以全因子Y為評價指標的優化組合Y為2.07。

(3)所有評價指標顯示影響模塊散熱性能最主要的參數是針翅間距。以全因子Y為評價指標時,有最佳組合方案D4B4A1C1E4,模塊降溫為16.28 ℃,模塊熱阻為0.265 ℃/W。

(4)對于不同內部風速,風速增大時散熱器針柱與空氣對流換熱程度得以強化,風道背風側區域溫度明顯降低,模塊的散熱性能得到提升。當風速超過3.0 m/s后,溫度降低幅度開始放緩,若單以提高風速的方式強化模塊散熱,存在運行成本提高而不能獲得同等收益的問題。