液冷流道简单计算的实现方法*

沈巍巍

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴 314033)

液冷流道简单计算的实现方法*

沈巍巍

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴 314033)

液冷系统中最重要的是对流道的参数进行设计，在工程中采用手动计算或者软件仿真的方法来实现。在项目评估阶段，方案需要反复推敲，手动计算太过复杂，软件仿真花费的时间比较长。探讨一种将经验公式写入程序的液冷流道简化计算方法，既有一定的精度，又能节省时间，为项目评估提供有效手段。

流道;壁温;压力损失;程序设计

1 概述

随着科学技术的快速发展，各种电子器件的性能和密集度得到很大的提高，传统的自然冷却和强迫风冷已经越来越难满足电子设备散热的需要，液冷的应用也越来越广泛。因此在电子设备的结构设计中，液冷冷板的设计就会较频繁的摆在设计师的面前。冷板的设计主要在于流道的参数设计，其中最重要的两个参数就是壁温和压力损失，这两个参数的计算应用到的经验公式较多。而且研究人员在设计的时候不可能一次到位，总是会通过不断的优化来达到一个最适合的值。在这样一个过程中，涉及的计算量较大，周期也长。

CAE的发展给我们带来了很大的便利，市面上也有很多用于热仿真的软件，每一种仿真软件通过建模、参数设定、划分网格、计算都可以得到比较精确的解，但是所有流程走下来花费的时间比较可观，而且这些软件对计算机的软硬件环境都有一定的要求，一般的PC机处理起来吃力。在一般工程准备或者前期论证阶段不可能对每个方案进行仿真分析。因此希望能有一种较简单的工具来实现冷板的计算，既有一定的精度，又能不花费太多的时间。程序设计方法为是将手动计算用的经验公式应用到程序设计中，让计算机中来完成复杂的计算，而工程人员只需要完成参数的输入和结果的读取或筛选。

2 设计思路和计算过程［1-3］

在常用的间接式液冷系统中，冷板既作为电子元器件的安装平台，又作为电子器件的热交换器，电子器件的热量通过冷板传递给冷却液带走(液冷系统中空气对流换热与辐射传热十分有限，可以忽略)。现在电子设备中应用到的冷板大概有两种，一种是扁平蛇形结构的，如图1(a)所示;另一种是板翘结构的［1］，如图1(b)。本研究以常用的扁平蛇形结构作为对象来设计。

图1 冷板的结构

在冷板设计时，主要控制冷板表面的温度，使之优于技术指标要求，保证电子器件工作在允许温度内。现在冷板的所用的材料导热系数都比较高，加之冷板传热均匀的特点，在精确度要求不高的情况下，可近似的认为其温度分布为恒壁温，计算过程如下:

(1)先根据给定的功率，冷却液的进口温度获得其出口温，以及定性温度。

定性温度为:tf=(t1+t2)/2，根据定性温度可获得冷却液的一系列物理参数。

式中:φ为功率;qm为质量流量;Cp1为冷却剂的比热; t2为出口温度;t1为进口温度。

(2)求雷诺数

式中:U为流速;D为当量直径;γf为定性温度下冷却剂的运动粘度。

(3)获得近似冷板温度

根据迪图斯－贝尔特公式算出努塞尔数:

式中:Prf为定性温度下冷却剂的普朗特数;A为换热面积。

(4)计算努塞尔数

紊流时根据格尼林斯基公式得到:

式中:l为管长;ηw为壁温下冷却剂的动力粘度;ηf为定性温度下冷却剂的动力粘度;Prw为近似温度下冷却剂的普朗特数。

(5)计算冷板的平均温度

冷板中压力损失可以分为两种:一种是直流段中，粘性力占主导地位的沿程压力损失;另一种是在流道方向改变引起的局部压力损失。这两种压力损失的计算过程如下。

(1)沿程压力损失

式中:λ为沿程阻力系数，与雷诺数和管壁的绝对粗糙度有关。

λ的具体计算如下:

式中:fr为绝对粗糙度。

各种材料的管壁的绝对粗糙度的选择如表1所列［3］。

表1 各种材料管内壁绝对粗糙度 /mm

(2)局部压力损失

一般冷板中的管道的弯角都为90°，90°的局部压力损失计算公式如下:

式中:ξ=0.13+1.85(D/2R)3.5;R为弯头半径，如图2所示。

由上式可得出总的压力损失Δp:

式中:n为冷板流道中90°弯头的个数。

3 程序实现与验证

根据以上的计算分析过程，可以得到我们想要的壁温和压力损失。最后根据上面的计算过程编写程序。整个程序基于Windows窗体应用程序的框架，应用窗体控件库提供的各种控件实现数据的输入和显示。冷却液的各物理参数与温度息息相关，将各个温度下的物体参数用MATLAB拟合成曲线方程，供程序调用，拟合的冷却液有两种:水和JSFDG－60。最后整个程序实现的界面如图3所示，只要在左侧输入必要的参数，点击计算按钮，就会显示出计算结果。结果包括最终的冷板壁温和压力损失，还包括计算过程中的一些重要的中间数据，可以用来比较核实。而说明这个按钮则是开始它的帮助文件，里面主要有整个计算过程的详细说明。

图2 90°弯头半径示意图

图3 冷板计算的界面

程序编制完成后，我们将它的计算结果和用仿真软件FloEFD算出来的结果进行比较。计算的结果如图3所示，仿真的结果如图4所示，图3中冷板的壁温为62.9°，压力损失为1.6MPa;图4的冷板壁温为68.8°，压力损失1.3 MPa，误差在可接受范围内，达到程序设计的目的。

图4 FloEFD仿真结果

4 结语

这种程序计算应用起来比较简单，不是很了解计算过程的设计人员也可使用，它不需要特殊的软、硬件环境，适合在理论设计或在项目方案阶段进行一些概念性的设计计算且节约时间。由于热力学理论大部分建立在实验的基础上，这个程序计算中采用的也都是一些经验公式，在精度方面有所欠缺，可以在下一步继续改进。

［1］ 邱成珶.电子设备结构设计原理［M］.南京:东南大学出版社，2004.

［2］ 杨世铭.传热学［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［3］ 成大先.机械设计手册(液压传动)［M］.北京:化学工业出版社，2004.

A Simple Method for Calculating of Liquid Cold Plate Channel

SHEN Wei－wei
(No.36 Research Institute of CETC，Jiaχing Zhejiang 314033，China)

The most important thing in liquid－cooling system design is to determine channel parameters，and in engineering it is usually done by manual calculation or software emulation.But in the phase of project evaluation，scheme needs to be modified many times，therefore manual calculation is too complicated，while software emulation takes too long.In this paper a way is explored to simplify the process by coding a formula into the program of liquid－cooling channel which can offer certain degree of accuracy and time efficiency and also offer an effective method for project evaluation.

channel;wall temperature;pressure loss;program design

TH123

A

1007－4414(2013)05－0088－03

2013－08－23

沈巍巍(1984－)，男，浙江台州人，工程师，主要从事电子设备结构设计工作。