针翅式散热器模块流动传热特性数值优化

2024-03-22张芮嘉张亚平尹仁盼

科学技术与工程 2024年5期

张芮嘉, 张亚平, 尹仁盼

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院, 西安 710054; 2.西安科技大学能源学院, 西安 710054)

近年来,由于纳米技术和电子行业的不断发展,散热器功能的改进成为一个有争议的问题[1-3]。高热流密度电子器件的散热是提高散热器性能的首要需求[4-6]。

提高散热器效率的方法有多种,包括几何优化[7]、采用不同结构的散热器(针肋[8]、微通道[9]、采用不同的冷却液作为相变材料[10])、采用不同冷却方式(强制对流[11]、射流冲击[12]、喷雾冷却[13])、散热器表观微结构设计[14]。Hithaish等[15]对3种不同形状的三角形微肋片热沉的不同几何构型进行了流动传热特性的数值模拟,研究表明:较高的翅片(0.75 mm)热性能指标略好,所有构型的散热效率都随着压降的增加而显著增加。Alam等[16]对自然冷却主板芯片的三角形翅片式散热器进行了数值模拟,结果表明:微针肋的热增强因子随着雷诺数的增加呈上升趋势,Re在1 000～3 000时增幅最大,入口的进气道湍流强度在15%～20%比较有利,热增强因子约为3.66。Xie等[17]对矩形截面内具有不同长度带有凸起的圆柱形针翅进行了强化传热数值研究,采用高径比为0.2、0.4、0.6、0.8研究椭圆柱体相互包围的相互作用,采用空气作为工作流体,雷诺数范围为15 000～20 000,壁面温度均匀为306 K。结果表明,努塞尔数随凸起高度的增加而增加,与无凸起的圆柱相比,有凸起的圆柱具有更高的传热速率,高径比在0.4时最优。Niranjan等[18]对强迫对流下方形微针肋散热器的强化传热进行了实验研究,考虑了不同高度、间距和热负荷的微肋片。结果表明:努塞尔数随扰流柱高度和雷诺数的增大而增大,随扰流柱间距的增大而减小。大翅片高度的散热器以较大的压降为代价,具有较低的热阻。强制对流下微针肋散热器的散热性能比平板散热器高10%左右。Yan等[19]对3种微圆柱针肋散热器的流动传热特性进行了数值分析,工作流体为水,结果表明:交错微针肋表现出最佳的水热性能,鱼鳍状针肋的不同结构会影响流动的分离点,影响柱后涡的大小和相邻柱体间的最大速度。Sakanova等[20]通过数值模拟和实验研究了不同的针翅几何形状,如圆、锥和水箔形,以燃料、油和空气为工作流体来探究散热器的传热特性,结果表明:湍流流动时,除燃料外,所有几何/流体介质下针翅型散热器散热特性提高1.6～2倍。You等[21]对涂覆热辐射涂层和不同微结构表面的板翅式散热器进行了实验研究,结果表明:具有微结构的表面进行热辐射涂层后,涂层与散热器的热传导增强,改善了散热性能。

现以一种针翅式散热器模块为研究对象进行数值模拟,进行多参数、多目标优化,不同评价指标下的各参数进行敏感度分析,优化的参数包括散热器基座宽度、热管蒸发端长度、针翅高度、针翅直径和针翅间距,得到影响传热性能的主次顺序,并挑选出优化组合。

1 数值计算模型

1.1 物理模型

图1是一款典型针翅式散热器结合热管散热的模块结构。该模块广泛应用于高热流电子器件的散热,由加热片、微沟槽平板热管、针翅式散热器组成。

图1 物理模型

它采用强迫风冷对散热器热管模块进行冷却,模拟轴流风机向风道内提供3 m/s的风速,风道大小为10 cm×5 cm×15 cm。在热管中心下侧放置20 mm×20 mm×1 mm的铜片作为模拟热源。考虑到基座上针翅的对称结构,选取散热器及风道的一半进行数值模拟,以便于清晰地监测模块中心部分的温度变化和提高计算效率。针翅式散热器材质为铜,热管材质为铝。

1.2 边界条件

计算区域的边界条件如图2所示。由于微沟槽平板热管具有良好的均温性,计算中热管假设为高导热能力的导热体,导热系数设为1 000 W/(m· ℃),热源表面设置为100 ℃恒定壁面温度边界条件;风道速度入口空气流速均匀,为3.0 m/s,进口温度20 ℃,出口边界条件为压力出口,计算模型的对称面应用对称边界条件。整个模拟环境温度为20 ℃。

图2 计算域的边界条件

1.3 数值方法

针翅散热器采用MultiZone划分方法,网格类型采用Hexa/Prism,并对针柱进行局部加密;热管、模拟热源和模拟风洞空气域采用四面体网格划分。利用分离隐式求解器,对模块的散热过程进行稳态求解,采用速度与压力耦合采用SIMPLE算法。对计算模型进行网格无关性验证,散热器模块分别选取网格间距为0.2、0.3、0.4 mm,风道选取1、1.5、2 mm进行验证,发现网格节点的变化对针翅温度的影响不大。因此,散热器选取网格尺寸0.4 mm,风道选取尺寸2 mm对几何模型进行网格划分。

1.4 性能参数

散热器热阻计算公式为

R=(Tin-Tout)/Q

(1)

式(1)中:R为散热器热阻, ℃/W;Tin为模拟热源的温度, ℃;Tout为针翅末端温度, ℃。

表征散热器换热性能的努塞尔数Nu和阻力系数f计算公式分别为

Nu=hD/λ

(2)

(3)

式中:h为表面换热系数,W/(m2·K);D为空气流体的水力直径,m,D=2WH/(W+H),W为通道截面宽度,H为通道截面高度;λ为空气导热系数,W/(m·K);Δp为压降损失,Pa;ρ为空气密度,kg/m3;um为空气流速,m/s;L为空气流体流向上的散热器长度,m。

传热性能综合评价指标(performance evaluation criteria,PEC)的计算公式为

(4)

式(4)中:Nuaverage为所有模拟组合努塞尔数Nu的平均值;faverage为所有阻力系数f的平均值。

1.5 模型验证

为验证模型准确性,对模拟热阻与文献[22]实验热阻对比,二者的运行热阻误差为3.7%和6.4%。

2 正交结构方案设计

以热管蒸发端长度、散热器基座宽度、针翅直径、针翅间距和针翅高度5个参数为因素,对每个因素设置4个水平。设计5因素4水平正交实验表,如表1所示,将各因素不同水平组合搭配,得到不同组合的模块,对其流动换热进行数值分析,得到各因素对传热性能的影响趋势,得到不同评价指标下的优化组合。

表1 正交实验表

3 模拟结果讨论

3.1 努塞尔数和阻力系数极差分析

各种正交方案下针翅式散热器热管模块对流传热的数值模拟结果,如表2所示。分别对努塞尔数和阻力系数进行单指标极差分析,分析各因素影响努塞尔数和阻力系数的主次顺序,并根据指标平均值ki挑选优化方案。从努塞尔数极差分析可知,各因素影响的主次顺序是D>B>A>E>C,其优化方案是D4B2A1E3C1,如表3所示;从阻力系数极差分析可知,各因素影响的主次顺序是D>B>C>A>E,其优化方案是D1B3C3A4E4如表4所示。这说明针翅间距对针肋翅片换热性能和阻力的影响是首要的。

表2 努塞尔数和阻力系数的数值分析结果

表3 努塞尔数极差分析及优化方案

表4 阻力系数极差分析及优化方案

如图3所示为5因素4水平对努塞尔数和阻力系数的影响趋势图。从图3可知,随着热管长度增加,针翅的努塞尔数减小;随着散热器宽度增加,努塞尔数先增大后减小;随着针翅直径增加,努塞尔数呈减小趋势,3水平时努塞尔数最小,4水平时回升;随着针翅间距的增加,努塞尔数先缓慢增加后迅速增大,间距增大使风机带来的低温空气流体与针翅外侧热量扰动加快,迅速散热降温;随着针翅高度的增加,努塞尔数迅速增大后趋于平稳。随着热管长度增大,阻力系数呈减小趋势;随着散热器宽度增大,阻力系数先增大后减小;随着针翅直径增大,阻力系数先减小后增大,3水平阻力系数最小;随着针翅间距增大,阻力系数迅速增加;随着针翅高度增加,阻力系数迅速增大,3水平达到峰值后迅速减小。

图3 5因素4水平对努塞尔数和阻力系数的影响

3.2 传热性能综合评价极差分析

结合努塞尔数和阻力系数提出传热性能综合评价指标PEC评价相对传热性能,如表5所示。

表5 传热性能综合评价指标PEC

以16组模拟针翅散热器的努塞尔数和阻力系数的平均值为基准,对不同模拟组合进行极差分析,如表6所示。各因素对PEC的影响主次顺序为D>E>A>B>C,即针翅间距对PEC的影响是最重要的,优化组合方案为D4E4A1B2C1。

表6 传热性能综合评价指标PEC极差分析及优化方案

在以努塞尔数为评价指标的极差分析中,优化方案D4B2A1E3C1的努塞尔数为5.31,阻力系数为0.103,PEC为1.260;在以阻力系数为评价指标的极差分析中,优化方案D1B3C3A4E4的努塞尔数为2.66,阻力系数为0.055,PEC为0.770;在以PEC为评价指标的价差分析中,优化方案D4E4A1B2C1的努塞尔数为5.30,阻力系数为0.090,PEC为1.277。可以验证PEC是在最大努塞尔数和最小阻力系数之间的平衡。

3.3 全因子评价

结合以上3种评价指标引入模块降温和热阻,对数据去无量纲化进行全因子评价分析,采用主成分分析法对数据处理得到各评价指标的特征值和方差贡献率,如表7所示。可看出前两个因子方差贡献率为91.387%,损失的数据信息较少,可代表初始数据。模块的全因子评价得分如表8所示,极差分析如表9所示。

表7 方差贡献率

表8 模块全因子评价得分

表9 全因子评价Y极差分析及优化方案

计算成分得分系数矩阵,可知因子Y1与因子Y2表达式如下。

Y1=0.221x1+0.261x2+0.270x3+0.246x4+0.180x5

(5)

Y2=0.484x1-0.265x2-0.278x3-0.348x4+0.682x5

(6)

全因子评价指标Y的表达式为

(7)

从表9可看出,各因素全因子评价指标Y的影响主次顺序为D>B>A>C>E,即针翅间距对Y的影响是首要的,最佳优化组合为D4B4A1C1E4,Y为2.07,为最佳优化组合,模块降温为16.28 ℃,模块热阻为0.265 ℃/W。

3.4 风道风速影响

图4展示了D4B4A1C1E4组合不同风速下的温度分布云图。

图4 不同风速下YZ截面温度分布云图

从图4可看出,热量从热源开始依次传递给热管、散热器基板和针柱,针柱与风扇传送的强冷空气进行对流换热使得模块温度降低。沿着空气流动方向,模块上侧空气的温度层逐渐加厚且高温分布区面积增大。1.0 m/s时,带走热量的空气因为风速较低,较高温度的空气流不能迅速流通,开始向高温针柱回流,形成了高温涡旋。3.0 m/s和4.0 m/s时,模块上侧空气温度层厚度很低且几乎无高温区域;空气离开模块后,附近区域温度层厚度降低趋势明显,较远区域温度层厚度几乎不再变化。可以看出,3.0 m/s与4.0 m/s相比,背风侧风道的温度分布均匀,无高温涡旋发生,两者温度分布变化幅度很小。在满足模块散热的基础上,考虑到运营成本等,选择3.0 m/s风速为宜。