基于ansysCFX的矩形微通道液冷冷板换热性能仿真分析

李兵强

（中国电子科技集团公司第二十研究所）

引言

随着芯片向小型化、集成化、高速化发展，芯片热流密度越来越大，芯片性能的有效发挥和进一步提高受到散热瓶颈的制约。微通道液冷技术被认为是解决高热流密度芯片散热问题的有效方式。微通道冷板的结构原理如图1所示。

图1 微通道冷板结构原理图

自上世纪80年代以来，国内外学者已对微通道液冷作了许多研究。Xu[1]对水力学直径为30到344微米的微通道，在Re数为20到4000范围内进行了研究，结果表明基于连续流体假设的N-S方程仍然成立。Zeighami等[2]研究了深为150微米、宽为100微米的微通道的转捩点约为Re=1600，研究表明，对于微通道而言，层流变湍流的转捩点提前了。

揭贵生等[3]从理论上对矩形截面微通道的结构参数与散热热阻的关系进行了推导，据此可对各通道参数进行优化选择。徐德好[4]应用Flotherml软件对系列尺寸的矩形微通道冷板进行仿真分析并验证，获得了冷板换热性能与流道结构参数的关系。

综上所述，学界目前普遍认为在不涉及相变时，连续介质假设成立，N-S方程和傅立叶导热定律对微通道内的层流液体流动仍具有适用性。因此，基于N-S方程的CFD软件CFX可用于对微通道换热进行仿真分析。

本文在AWB14.0平台下建立矩形微通道冷板的仿真模型，应用CFX分析微通道各参数对换热性能的影响。

1 仿真模型的建立

本文利用NX7.5建立冷板的三维模型。典型结构参数为流道宽度D=0.5mm，深度H=2mm，间距T=1mm，流动方向长度L=30mm，流道数目16。芯片长×宽×高=30×16×2.5(mm)。冷板出、入水口直径均为4mm。芯片材料为硅，冷板基体为Al5A06，冷却介质为水。结构模型导入AWB后，在满足网格无关性，且兼顾网格总量的前提下划分网格（流体边界层为4层）。最终建立的仿真模型如图2示。

图2 冷板仿真模型

仿真计算中对模型作如下假设和简化：

( 1) 流体为常物性,且为定常流动；

( 2)忽略辐射和空气自然对流散热；

边界条件设置如下：

( 1) 芯片和冷板的接触面为固固传热，流体和冷板的接触面为流固传热；

( 2) 热源和冷板的外壁面为绝热面；

( 3) 流体入口设为速度入口（1m/s），25℃，出口设为压力出口（大气压）；

( 4) 芯片作为体热源（折合面热密度为50W/cm2）

2 仿真结果分析

由文献[3]的理论分析可知，在冷板外形尺寸一定的前提下，换热性能的影响因素主要有流量、流道深度、流道宽度、流道数目等。对微通道的换热性能按换热系数h1和换热效率k评价，其定义为

式中：Q——热源的发热量 (W)

Asource——热源和冷板接触面积 (m2)

Twc——热源表面平均温度( ℃)

Tave——为进出口冷却液平均温度 (℃)

qL——冷板流量 (m3/s)

△P——进出口压力损失 (Pa)

h1直接影响芯片的结温，结温的高低对其使用寿命影响很大，且一般都有结温限制。k为换热系数与消耗的泵源能量之比，表征冷板的换热效率。

2.1 入口流速对冷板性能的影响

冷板结构尺寸如1所述不变，入口流速取不同值，并保证流道内Re＜1600，即符合层流状态（后面各例同理）。换热系数h1和效率k与入口流速关系如图3示

换热系数随入口流速增大而增大，但增速趋缓；由于压力损失急剧增加，导致效率随流速增大而急剧减小。因此在选择流量时应综合考虑。在满足散热需求的前提下选择小的流量较为合适。

2.2 流道深度对冷板性能的影响

换热系数h1和效率k与流道深度H的关系如图4示。

换热系数随流道深度增大而先增大，后减小，存在极大值，在深度为3mm附近；效率k随深度增大而增大，但增速趋缓。因此，流道深度的选择需要综合考虑。由于从极值点再增大深度换热效率提高并不明显，反而牺牲了换热系数，笔者认为取换热系数最大的深度较为合适。

2.3 流道宽度对冷板性能的影响

换热系数h1和效率k与流道宽度的关系如图5示。

换热系数随流道宽度增大而减小，效率随宽度增大而增大，均趋缓。因此，流道宽度的选择需要评判换热系数和效率的重要性，综合考虑。

2.4 流道数目对冷板性能的影响

换热系数h1和效率k与流道数目的关系如图6示。

换热系数和效率均随流道数目增大（周期T减小）而增大，均趋缓。因此，在不显著增加加工难度的前提下，增大流道数目可以有效提高冷板换热系数和效率。

3 结论

（1）本文分析了流量，流道高度、宽度、数目对矩形截面微通道冷板性能的影响，得到了换热系数和效率随各参数的变化规律，结果对于该类型冷板的设计具有一定的指导意义。

（2）本文应用CFX仿真分析的结果与文献[4]的相关结论一致，从而对于更为复杂的无法理论分析的微通道冷板模型，CFX仿真分析方法具有很好的应用前景。

【参考文献】

[1]Xu,B.,Ooi,K.T.,and Wong,N.T.,2000, Experimental Investigation of Flow Friction for Liquid Flow in Microchannels，International Communications in Heat and MassTransfer, 27,pp.1165-1176.

[2]Zeighami,R.,Laser,D.,Zhou,P.,Asheghi,M.,Devasenathipathy,S.,Kenny, and Goodson, K.,2000,Experimental Investigation of Flow Transition in Micro-channel Using Micro-resolution Particle Image Velocimetry,Proceedings of ITHERM 2000,Volume II,pp.148-153

[3]揭贵生，大容量电力电子装置中板式水冷散热器的优化设计[J]，机械工程学报，2010年1月，第46卷第2期

[4]徐德好. 微通道液冷冷板设计与优化[J].电子机械工程，2006（2）：14-18