扰流空心翅片式微流道液冷板流动换热特性研究*

周蔚南，孙 钦，关胜利，汪广武，孙晨明，吴 伟，董凯军†

扰流空心翅片式微流道液冷板流动换热特性研究*

周蔚南1,2,3，孙 钦1,3，关胜利4，汪广武4，孙晨明4，吴 伟5，董凯军1,3†

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院大学，北京 100049； 3. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4. 广州高澜节能技术股份有限公司，广州 510705；5. 香港城市大学，香港 999077）

液冷板冷却技术是解决高功率芯片热管理问题最有前途的技术之一，带翅片结构的液冷板具有低流阻、低热阻的优势，因而受到广泛关注。目前翅片结构多以实心为主，空心交错翅片对液冷板散热能力和压降等冷却特性的影响尚未得到系统的研究。对此，设计了空心交错翅片液冷板，采用数值模拟的方法研究进口温度和流量对液冷板流动换热特性的影响。模拟结果表明，空心翅片式液冷板具有良好的散热性能，随着进口温度的升高，液冷板温度不均匀性逐渐降低，但降低趋势有所减缓，而流量的增大对降低平均热阻有显著的作用，当进口流量超过1.2 L/min时，液冷板的平均热阻可低于0.04℃/W；然而，流量的增大也提高了流动阻力，当流量增大至1.7 L/min时，流体出口区域形成涡旋，产生回流区，不利于液冷板的散热效果，且流动阻力增大。

空心翅片；液冷板；流动阻力；换热系数；涡旋

0 引 言

随着计算机技术的发展，芯片运行功率显著提升，同时，加工和封装技术的优化使芯片的物理尺寸不断缩小，进而使其功率密度越来越大，并且该增长趋势越来越快[1-2]。在这一背景下，芯片的热管理问题日益凸显，受到了全球学者的广泛重视[3-4]。目前，空气冷却是最成熟的冷却技术，但空气密度小、排热能力较差，其最大散热能力约为37 W/cm2[5]，难以应对超过100 W/cm2的高热流密度。因此，热管、热电冷却器和液冷板等用于高功率芯片热管理的冷却技术被开发出来[6]。其中热管、热电冷却器结构较为复杂，不易加工，工作不稳定，导致目前的应用普及度较低。而液冷板技术具有散热能力强、安装方便、工作运行稳定的优点，成为解决芯片热管理问题最有前途的技术之一[7]。

液冷板的结构直接影响其换热能力和流动阻力，结构优化[8-10]成为近年来液冷板相关研究工作的重点之一。为了降低热阻，研究者们提出了带翅片结构的高效散热液冷板[11-14]，该结构导热系数高，压降低，冷却系统运行能耗减少[15-16]。翅片的形状对液冷板性能的影响得到了广泛的研究，NDAO等[17]对不同的翅片截面形状和传热系数间的关系进行了探究；对于斜翅片，YONG等[12]研究了其角度及间距对微通道热沉的影响，结果表明，当雷诺数= 690时，斜翅片微通道液冷板的热阻可达到0.089℃/W，实现了液冷板热阻低于0.1℃/W的目标。翅片高度是影响液冷板性能的另一重要因素，翅片高度关系到液冷板对流换热表面积以及整体的流动阻力，PRAJAPATI[18]发现翅片顶部开放空间产生的净对流表面积和典型流动行为是影响液冷板整体热性能的主要原因；增大翅片高度能够提高液冷板的对流换热面积，同时也会增大流动阻力，BHANDARI等[19]的研究表明，1.5 mm高度的翅片（流道高度2 mm）为最佳值，能够实现更好地传热且液冷板的流动阻力在可接受范围内。而对于翅片的排布方式，CHIU等[14]研究了不同密度的交错布置的微翅片对液冷板传热特性的影响，结果表明液冷板的传热性能取决于翅片阵列的密度以及截面面积的大小。此外，进出口方式对液冷板内流量分配特性影响很大。刘东等[20]研究了6种进出口方式，提出以流量和换热不均匀系数来评价进出口方式的影响。YADAV等[21]针对入口/出口分歧管相互连接的微通道之间的流量不均匀性，提出了一种改善流动分布不均的新技术。可见，合理的进口方式有助于提高液冷板温度均匀性。

综上所述，目前研究人员对实心翅片的形状、角度、高度和排布方式对液冷板流动换热效果的影响已开展了较为深入的研究，而对于空心交错翅片尚未见到系统的报道。相较于实心翅片，空心翅片的结构进一步增大了翅片与冷却剂间的接触面积，从而更有利于强化换热。对此，本文设计扰流空心翅片式微流道液冷板，并通过三维数值方法模拟空心交错翅片液冷板内的流量分配和换热特性，通过温度不均匀系数、平均热阻和平均传热系数评价液冷板的散热能力，为液冷板的设计优化提供新思路。

1 研究方法

1.1 模型简述

扰流空心翅片式微流道液冷板的结构如图1所示，长方体空心翅片在液冷板内交错分布；进出口位于液冷板的同一侧，使得冷却剂的流线在有限的空间内增长，且同侧进出口便于实际应用的安装。液冷板的长、宽、高分别为62 mm、60 mm、10 mm，在液冷板底部中心位置设置尺寸为45 mm × 45 mm × 3 mm的芯片发热源，芯片的发热量设置为300 W，液冷板内部结构的几何参数如表1所示。

表1 扰流空心翅片式微流道液冷板结构参数

1.2 数学模型及求解方法

采用ANSYS 18.0软件建立三维立体模型，对流体在整个液冷板内的流动及传热进行数值模拟，并做出如下假设[22]：①流体为不可压缩流体，流体和固体的热力学参数为定值；②忽略中央处理器（central processing unit, CPU）与液冷板之间的接触热阻；③忽略热辐射的影响；④流道表面光滑；⑤液冷板的出口压力为大气压力。具体的控制方程如下。

液冷板的固体区域能量方程：

液冷板的流体区域能量方程：

连续性方程：

动量方程：

由于本文讨论的空心翅片式微流道液冷板内有较多扰流结构，且流体属于低雷诺数流动，因此选择重整化群（renormalization group, RNG）模型，其湍流动能方程为：

扩散方程：

计算时取液冷板的进口为速度进口，出口为压力出口，并且采用流固耦合边界条件。

为了评价液冷板的散热性能，数值模拟区域的温度不均匀系数定义为：

液冷板的平均热阻（℃/W）可定义为：

液冷板的平均传热系数定义为：

1.3 参数设置和网格独立性验证

采用去离子水为流体工质，流体和固体接触面无滑移。3 mm厚的硅基材料为发热源，发热量为300 W，液冷板材料为铜，流体与固体的具体参数详见表2。

表2 材料热物性参数

为探究扰流空心翅片式微流道液冷板流动换热特性，寻找合适的液冷板的进口流量和温度来实现良好的散热能力以及合理的流动阻力，本文采用正交法对不同进口流量和温度进行正交模拟，进口流量v分别设置为0.5 L/min、0.7 L/min、1.0 L/min、1.2 L/min、1.5 L/min；进口温度in分别设置为25℃、28℃、31℃、34℃、37℃、40℃；共30组数值模拟对照组。

表3 不同网格数时CPU的平均温度

2 结果和讨论

2.1 温度不均匀性

图2（a）温度不均匀系数与进口流量的关系；（b）温度不均匀系数改善效果与进口温度的关系

2.2 液冷板的平均热阻

图3 不同进口温度和流量下平均热阻比较

2.3 液冷板的平均传热系数

图4 不同进口流量和温度下液冷板的平均传热系数和换热温差比较

2.4 流动特性

进出口方式对液冷板内流量分配特性影响很大。根据前人研究结果[20-21]，综合考虑流动入口对流量分配均匀性的影响和安装的便捷性，采用同侧进出口的布置方式，流体进入液冷板时其速度方向垂直于流道的截面，流体直接冲击分流腔底面并均匀分布到各个方向，流体在液冷板内的流动呈现“U”形的流线。从模拟结果分析，当进口流量较小时，分流腔起到匀流的作用，本文流量的研究范围为0.5 ～ 1.5 L/min，为进一步探究流量对流动特性的影响，将流量增大到1.7 L/min时，分流腔的匀流作用不明显，如图5所示，冷却剂在出口侧流道回流现象剧烈，形成了涡旋，液冷板模拟的整体散热性能不佳，并且使液冷板的流动阻力急剧增加。

液冷板的压降Δ与流量的关系如图6所示，随着进口流量的增大，沿程压降随之增大。当流量大于1.2 L/min时，沿程压损急剧增大。由图3可知，当流量大于1.2 L/min时，增大流量实现强化换热的效果显著性降低，因此，在实际应用中，可考虑0.7 ～ 1.2 L/min的流量范围。

图 5 流体区域速度矢量图：（a）流量Qv = 0.5 L/min；（b）流量Qv = 1.7 L/min

图6 不同进口流量下液冷板的压降比较

3 结 论

采用数值模拟的方法对扰流空心翅片式微流道液冷板流动换热特性进行研究，比较了不同进口温度及流量下的温度不均匀系数、液冷板的平均热阻、液冷板的平均传热系数以及流动特性，得到的结论如下：

（1）当进口温度一定时，流量的增大使得温度不均匀系数减小，液冷板温度均匀性提高。

（2）当发热量一定时，平均热阻随流量的增大而减小，但减小趋势逐渐变缓。

（3）空心翅片结构使得液冷板内流体与固体壁面的接触面积大大增加，从而使得液冷板的散热性能得到提高，当进口流量大于1.2L/min时，可实现液冷板的平均热阻低于0.04℃/W。

（4）本文研究的液冷板结构在大进口流量的情况下易产生涡旋，形成较大的回流区，这将影响液冷板的流动性能，使得液冷板的压降大幅提升。对于本文所研究的液冷板结构，推荐流量为0.7 ～ 1.2 L/min。

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Liquid Flow and Heat Transfer Characteristics of Liquid Cooling Plate with Hollow-Fin

ZHOU Wei-nan1,2,3, SUN Qin1,3, GUAN Sheng-li4, WANG Guang-wu4, SUN Chen-ming4, WU Wei5, DONG Kai-jun1,3

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China; 4. Guangzhou Goaland Energy Conservation Tech. Co., Ltd., Guangzhou 510705, China; 5. City University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China)

The liquid cooling plate technology is one of the most promising technologies to solve the thermal management problems of high-power chips. The liquid cooling plate with fins has the advantages of low flow resistance and low thermal resistance, and thus has

wide attention. However, the fins applied to the liquid cooling plate are mostly solid, and the influence of hollow staggered fins on the heat dissipation capacity and pressure drop characteristics has not been systematically studied. In this paper, hollow staggered fins were designed and numerical simulations were used to study the effects of inlet temperature and flow rate on the flow heat transfer characteristics of the liquid cooling plate. The simulation results showed that the hollow staggered fin liquid cooling plate had good heat dissipation performance. And the temperature un-uniformity decreased gradually with the increase of inlet temperature, while the decreasing trend slowed down. The increase of flow rate had a significant effect on reducing the average thermal resistance. When the inlet flow rate exceeded 1.2 L/min, the average thermal resistance of the liquid cooling plate was lower than 0.04°C/W. However, the flow resistance also increased with the increase of flow rate. When the flow rate was up to 1.7 L/min, the vortex was formed in the fluid outlet area and the reflux zone was generated, which was not conducive to the cooling effect of the liquid cooling plate, and the flow resistance increased.

hollow-fin; liquid cooling plate; flow resistance; heat transfer coefficient; vortex

TK124

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.06.007

2095-560X（2021）06-0506-07

收稿日期：2021-11-16

2021-11-23

广州开发区国际科技合作项目资助项目（2019GH01）；中国科学院可再生能源重点实验室基金项目（E129860101）；广东省基础与应用基础研究基金项目（2019A1515111177）

通信作者：董凯军，E-mail：dongkj@ms.giec.ac.cn

周蔚南（1998-），女，硕士研究生，主要从事数据中心节能技术研究。

董凯军（1971-），男，博士，正高级工程师，主要从事数据中心冷却节能与蓄能技术、工业节能技术、能源管理与高效利用技术研究。