内嵌多孔材料矩形微通道复合热沉的构形优化*

2022-02-12李文龙谢志辉关潇男戈延林

舰船电子工程 2022年1期

李文龙谢志辉奚坤关潇男戈延林

（1.海军工程大学动力工程学院武汉 430033）（2.武汉工程大学热科学与动力工程研究所武汉 430205）（3.武汉工程大学机电工程学院武汉 430205）

1 引言

电子科技日新月异，电子器件越趋向于微型化、高密度集成化和高频化。其单位体积的发热功率激增，热点温度升高，且温度场不均匀性所导致的热应力和形变也威胁到器件的可靠性，影响设备整体性能的正常发挥[1～2]。传统的冷却技术难以满足高热流密度器件的散热需求，微通道液冷热沉已成为应对这一技术需求的有效手段[3～4]。

1996年，Bejan发现了构形定律，提出了构形理论[5～7]，并首先应用于电子器件散热研究[6]。陈林根等[8]最早将构形理论引入国内并定名。构形定律可简要表述为事物结构源自于性能达到最优[9]。构形理论已被应用到多个学科领域，在液冷微通道热沉的设计中同样展现出了明显优势[10]。Salimpour等[11]对一至三层圆形截面微通道热沉进行构形设计，得到了各层直径对热沉最高温度的影响规律。Dadsetani等[12]改变辐射状脉管热沉通道的回流形式，得到了热沉最高温度和最大应力随回流通道个数的变化规律。

过增元院士等[13～14]定义了新的物理量—火积，用于描述物体具有热量传递能力的大小，提出了火积耗散极值原理，为传热传质优化奠定了新的理论基础[13～17]。陈林根[9，15～16]将构形理论与火积理论相结合开辟了传热传质及广义传递过程优化的新方向[7，9～10，15～16，18～20]。冯辉君等[18]基于火积耗散极值原理，研究获得了最优的“+”形高导热材料通道分布。王亮等[19]以火积当量热阻最小为优化目标，对三种工质回流式微通道热沉进行了构形优化。石瀚楠等[20]在层流条件下对树状脉管通道热沉进行了构形设计，并提出了散热效果更好的“辐射+树状”复合脉管通道热沉原型。

将多孔材料应用于液冷通道热沉设计引起了广泛关注[21～28]。Hung等[21]对比计算了填充多孔材料的微通道热沉和常规微通道热沉的换热性能和流动阻力。Leng等[22]将常规矩形微通道热沉的侧肋替换为多孔材料，发现相同条件下多孔肋片热沉比常规热沉压降降低近了50%，最高温度仅升高了4.7%。李勇铜等[23]发现把热沉固体侧肋部分替换为多孔材料亦可提升热沉换热效果。在热沉中，综合使用固体-多孔复合肋片，流动和换热的综合性能更好。Bhattacharya等[24]在多孔材料中植入固体肋片构成固体-多孔复合肋片，在开放式空冷条件下，发现复合肋片比单一的多孔肋片增大了流动引起的压降损失，但却获得了可观的换热强化效果。Gong等[25]在研究矩形微通道热沉时，减小热沉中固体侧肋的厚度，并将减小的部分替换为多孔材料，发现存在最优的无量纲多孔材料厚度，使得热沉性能最优。一些学者研究了多孔介质的构形设计问题[26～28]。

本文在文献[24]开放式空冷模型的基础上，建立内嵌多孔材料的矩形微通道复合热沉三维模型，选用去离子水为冷却剂，采用火积当量热阻作为性能指标进行双自由度构形设计，并分析各参数对热沉最优构形的影响。

2 模型建立

2.1 几何模型

图1为内嵌多孔材料微通道热沉的示意图，热沉的长、宽、高分别为 Lx、Ly、H，内部有多个矩形截面流道，每个流道均由多孔材料全部填充。考虑对称性，选取一个热沉通道为计算单元，单元宽度G=Wc+Wr，其中Wc为单个流道的宽度，Wr为单个固体侧肋的厚度。

图1 内嵌多孔材料微通道热沉示意图

2.2 传热模型

假设固体材料均为各向同性的黄铜（导热系数ks为 400W/(m·K)）；去离子水为单相稳态层流；忽略物性变化、热沉出入口截面上的纵向换热以及重力的影响；流固接触面满足速度无滑移及温度连续和热流密度连续条件。

多孔区域控制方程为

2.3 优化目标

2.4 数值方法

在数值模拟时，将热沉单元划分为四面体非结构化网格，连续性方程、动量和能量方程的收敛标准设为10-6。当模型参数为φp=0.4、ε=0.8、Re=100、q″=100W/cm2、α=3、β=1时，随着网格数目的增加，试算所得的分别为0.003638、0.003532、0.003584，相对误差为2.92%、1.4%，故确定采用第三套网格的划分标准。同时，建立文献[22]中的热沉模型，所得最高温度和压降的计算结果与文献[22]所得结果最大相差0.5%和4.8%。验证了本文算法的可靠性。