基于CFD技术的水冷板结构仿真分析研究

张继阳 郭荣荣

摘 要：水冷板结构在多种散热装置中使用，其结构是影响散热效果的关键因素。随着计算流体动力学（CFD）在工业设计中被大量应用，很多学者也将其引入计算散热板的结构中，提高了水冷板设计效率。本文主要借用CFD软件，对水冷板进行结构建模，通过设置相应的参数和对模型进行网络划分，计算出水冷板的内部流速，为进一步优化提供理论依据。

关键词：水冷板；计算流体动力学；散热；仿真分析

中图分类号：TH132.46 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）17-0071-02

Simulation and Analysis of Water-cooled Plate Structure

Based on CFD Technology

ZHANG Jiyang GUO Rongrong

Abstract： The cold plate structure is used in many kinds of heat dissipation devices， and its structure is the key factor affecting the heat dissipation effect. With the application of computational fluid dynamics （CFD） in industrial design， many scholars have introduced it into the structure of heat dissipating plate to improve the efficiency of the design of water cooled plate. In this paper， the CFD software was used to model the structure of water cooled plate. By setting the corresponding parameters and dividing the model network， the internal flow velocity of the cold plate was calculated， which provided a theoretical basis for further optimization.

Keywords： water-cooled plate；computational fluid dynamics；heat dissipation；simulation analysis

計算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）主要是通过计算机对实物进行建模仿真计算，得出相应的仿真图形。计算流体力学出现在20世纪60年代。经过多年的发展，其计算和仿真精度有了较大提升，在多种领域被广泛应用，如航天器、航海器、轨道交通、汽车、建筑和桥梁等领域[1]。

水冷板的应用也很广泛，其结构的合理性和高效性对产品性能起着关键作用，如一些机械装置在运行过程中会产生热量，为了能更好地将热量散发出去，提高机械装置的工作效率，可加入结构合理的水冷板，将热量带出去[2]。

为了有效提高水冷板的工作效率和结构强度，引入CFD对水冷板的流速和流道进行分析，首先对水冷板的结构进行建模，生成三维模型，然后对水冷板流道进行分析，从而实现对水冷板结构的有效优化，全面提高水冷板的可靠性和高效性。

1 水冷板的应用

目前，电池行业发展迅速。在使用过程中，电池会产生大量的热，导致其内部温度升高，如果无法将这部分热量散发出去，则会对电池的性能产生较大影响，降低其安全性，甚至会使电池内部发生短路，造成电池起火爆炸。

为了避免此类事故的发生，在电池中间加入水冷板。电池工作时，水冷板将电池产生的热量带出去，形成一个水路循环，时刻对电池的工作环境进行调节。

本文引入一个实际方案对水冷板的结构进行分析。水冷板的流道几何模型如图1所示。

水冷板为一个进水口和一个出水口，水循环的过程由外部的水泵控制。

2 材料的热力学性能

该液冷板采用AL5052材料，吹胀成型；冷却液采用50%乙二醇和50%水混合液。主要材料热特性如表1所示。

设置模型的边界条件为：进口为速度进口，出口为压力出口，则冷却液流量Q为：

[Q=V×S=1×24=24L/s]

其中，[V]为进口速度，[S]为进口处截面积。

3 仿真分析

3.1 图形建立

对水冷板的模型进行网络结构分析，分别建立冷却液所流过处的离散模型。其中，将液冷管路系统的入口和出口分别设在下、上侧，电芯模组的热功率等效施加在液冷板的上侧表面上。通过CFD设置模型参数、相应的水路走向及模型网络。同时，通过软件可以实时监控水冷板网络结构分析的动态，获得模型迭代。

3.2 仿真结果

图2和图3分别为速度矢量图、压力云图。从流速分布结果可知，沿主管路方向，离入口距离越大，流量分配越小，较不均匀。

图4和图5分别是水冷板进出水口的速度及压力值。通过仿真分析可以得出，进出口的速度相差无几，进水口的压力值大于出水口。仿真分析得出，液冷板流量分配存在较大的不均匀性，多处出现了冷却液速度矢量突变的情况，存在较大的阻力损失。水冷板结构模型还需进一步优化。

通过以上仿真分析可以得到水冷板的设计缺陷，通过进一步的修改模型，进行新一轮的仿真分析，得出更合理的结构。

4 结语

本文主要引入CFD软件对水冷板进行仿真分析。一方面提高了水冷板的散热效率，另一方面降低了材料成本，在一定程度上解决了水冷板高效散热等问题。

参考文献：

[1]施卫东，李启锋，陆伟刚，等.基于CFD的离心泵轴向力计算与试验[J].农业机械学报，2009（1）：60-63.

[2]袁凤东，由世俊，高立江.基于CFD的地铁用轴流风机性能模拟[J].流体机械，2006（5）：26-30.