基于耗散理论的电子模块管内传热数值研究_翁夏.pdf

88环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT摘要：基于耗散理论，研究分析了在新型强化传热结构下管内传热的特性。以流动传热过程中的温度、压力和对流换热系数的为分析对象，使用数值计算的方法，对光管和内插螺旋片两种管道结构下的传热系统进行了研究。通过对网格独立解的研究，得到了适合于本文案例的分析参数，保证了数值计算结果的一致性。研究结果表明，内插螺旋片液冷管结构下的热源温度明显低于光管结构下的热源温度，具有显著的强化传热效果；且其强化效果随着流量增加而逐渐减弱，其驱动代价随着流量增加而显著提高，更加适合于应用在中小流量区域。关键词：模态试验；振型斜率；速率陀螺；加速度计中图分类号：TK121 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0088-06基于耗散理论的电子模块管内传热数值研究Numerical Study on Heat Transfer in Liquid Cooling Tube of Electronic Modules Based on Entransy Dissipation翁夏（1.西南电子技术研究所，成都 610036；2.四川省空天电子装备环境适应性技术工程实验室，成都 610036）WENG Xia(1.Southwest Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036;2.Sichuan Provincial Engineering Laboratory of Environmental Adaptability Technology for Aerospace Electronic Equipment,Chengdu 610036)A b s t r a c t：Based on the theory of entransy dissipation,heat transfer characteristics in tubes with enhanced heat transfer structure are investigated.Taking the temperature,pressure and heat transfer coefficient as the analysis object,and using the method of numerical calculation,the heat transfer systems with smooth tubes and tubes fitted with helical screw-tape inserts are discussed.Through a study on the grid independent solution,the suitable analytical parameters are obtained,and the consistent of the calculated results is ensured.The results show that the heat sources temperature of tubes fitted with helical screw-tape are lower than the temperature of smooth tubes,and show obvious heat transfer enhancement effect.Furthermore,the heat transfer enhancement becomes less efficient along with the increasement of flow rate,and the cost increases along with the increasement of flow rate.The enhanced heat transfer structure is more suitable in the range of low and medium flow rate.K e y w o r d s：entransy dissipation;electronic modules;heat transfer in tubes;numerical calculation;helical screw-tape inserts引言随着电子模块内器件的集成度越来越高、热耗越来越大，近年来，已逐步开始使用穿通液冷对电子装备中的模块级产品进行冷却。通常，模块中的穿通液冷具有流量较小的显著特点，由此导致了模块级穿通液冷的管内流动通常处于层流状态，流体与管壁之间的对流换热系数较低，在高热耗模块中容易引发热失控的后果。因此，亟需引入一种能够在电子模块小流量穿通液冷工况下能892023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏够显著强化传热的结构，以提高热控效果。过增元等 1,2 提出了（火积）耗散的概念：热量在介质中的扩散传递过程是不可逆过程，而热量流过介质时，热量本身没有耗散，因热阻而耗散的是（火积）。在给定系统的热流时，最小（火积）耗散率与最小等效温差相对应，称为最小（火积）耗散原理；给定等效温差时，系统的最大（火积）耗散率与最大热流相对应，称为最大（火积）耗散原理。刘伟等 3 基于（火积）耗散的理论，进一步提出了基于流体的强化传热技术主要是通过对流体核心区的扰动，使流体核心区域温度尽量均匀，在边界处形成等效热边界来实现强化传热，包括各种插入物结构。贾晖等 4 提出了可以使用传热效率作为强化传热的新评价指标，以热耗散损失为优化目标得到了优化流场的传热效率，并指出了无论在什么样的流动状态下，采用合适的强化传热方式才是增强设备换热能力、减少设备功率消耗的正确途径，而不能一味的单纯依靠增加泵功、提高流速来增强换热。郑年本等 5 采用数值模拟的方法，对管内插入螺旋片的换热过程进行了模拟，并应用了（火积）耗散理论对螺旋片的强化传热机理进行了分析，得出了内插螺旋片可以实现强化传热的结论。T u s a r 等 6 对管道内插螺旋片进行了层流范围的计算流体力学分析，结果显示传热过程中 N u 数得到了显著提高。S i v a s h a n m u g a m等 7 对圆管内结构在湍流范围内的传热特性进行了研究，将不同比例的内插螺旋片进行了实验，得到了传热特性优化的结构。E i a m s a-a r d 等 8 对管内有/无螺旋片插入物的案例进行了研究，结果显示前者的 N u 数上升为后者的（2 3 0 3 4 0）%。还有其他学者 9-1 1 也对类似的传热结构进行了研究，认为内插螺旋片能产生良好的强化传热效果。文中对基于耗散理论的电子模块液冷管的强化传热结构即内插螺旋片液冷管进行了建模，并在不同的流量下，分别针对不同尺寸的内插螺旋片进行了传热数值分析。1 研究对象及建模以 V I T A标准 L R M电子模块中的穿通液冷板为研究对象，在冷板中建立蛇形液冷管模型，并以上述模型为基础另外建立含有内插螺旋片的蛇形液冷管模型，如图 1 所示。液冷板的外形尺寸为 2 3 3.4 m m 1 6 0 m m 5 m m，其中的液冷管内径为 3.2 m m。液冷管内插螺旋片厚度为 0.2 m m，其引导线的直径为 2.2 m m、螺距为6 m m。两种模型的冷板尺寸和管道尺寸完全相同，唯一的区别在于是否存在内插螺旋片结构。在两种模型的相同位置分别建立 3 个模拟芯片热源组成传热系统。每个热源的热耗为 3 0 W，与冷板接触面的尺寸为 3 5 m m 3 5 m m，如图 2 所示。在冷板与热源之间，按照电子模块中常用的导热硅脂参数设置了的接触热阻，以模拟真实的热源温升。2 数值研究方法数值分析采用基于有限体积法的 F l o E F D软件完成。在流体域中，F l o E F D采用三大守恒定律（质量守恒方程、N-S 方程和能量守恒方程）对物理模型进行求解。对于湍流模型，本文选用I-L（湍流强度-长度）模型进行计算，其中：(a)普通液冷管（光管）冷板(b)内插螺旋片液冷管冷板图 1 研究对象的物理模型90环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT （1）（2）分组总网格数78402174953334247316181077234699976125其中的固体网格60761126828206435132225628252884897722其中的流体网格1764148125127812183955448981815078403分组总网格数782771823953580043594227887309811152585其中的固体网格60723132898227666139958030342135083274其中的流体网格1755449497130338219464758388856069311(a)光管液冷板传热系统(b)内插螺旋片液冷管冷板传热系统图 2 液冷板与热源的传热系统的物理模型(a)光管液冷板传热系统(b)内插螺旋片液冷管冷板传热系统表 1 不同细化程度下的网格参数式中：湍流速度波动；时间平均流体速度，C=0.0 9。对于层流、湍流和过渡流，上式中的湍流动能 k 和湍流耗散 皆可采用改良的 k-湍流模型 1 2 描述，该湍流模型的控制方程如下：（3）（4），（5）（6）其中：C1=1.4 4，C2=1.9 2，k=1，=1.3，B=0.9。若 PB 0，CB=1；若 PB 0，CB=0。3 网格独立解研究为了使计算结果尽可能接近实际情况，且不耗费过量的网格数，首先需要对网格独立解进行研究。将两类模型基于不同的网格细化程度分为了 6 组，具体网格参数如表 1 所示。将两类传热系统的模型分别在上述 6 组网格下进行912023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏计算，并监控系统内热源温度、对流换热系数等重要的传热参数，得到结果如图 3 所示。从图中可以看出，自第组开始，各主要计算参数基本不发生变化。因此，本文后续数值分析所采用的网格皆基于第组网格的相关参数进行设置。4 计算结果与分析在冷却液输入温度为 2 0 的条件下，以 6 L/h 的流量增量为间距，对处于（6 3 6）L/h 流量之间的工况进行数值计算，得到各热源中心点温度如图 4 所示。从图中可看出，在相同的流量下，内插螺旋片液冷管结构下的热源中心点温度明显低于光管结构下的热源中心点温度。进一步地，如图 5 所示：计算各流量下热源中心点的温差（光管热源温升与内插螺旋片热源温升之差），可得到各流量下温差的趋势；取温差与光管热源温升之(a)光管液冷板传热系统(b)内插螺旋片液冷管冷板传热系统图 3 两类传热系统的网格独立解比，可得到内插螺旋片结构热源降温比例的趋势。从图中可以看到，热源温差随流量上升出现明显下降；热源降温比例在中流量区域较高（2 4 L/h 时，3 个热源的降温比例分别为 3 2%、2 9%和 2 4%），在低流量和高流量区域均较低。冷板进出口压差如图 6 所示，可见内插螺旋片液冷管的冷板压差显著地高于光管；且随着流量增加，前者的压差增速明显高于后者。同时可见前者与后者间的压差之比，可见内插螺旋片液冷管与光管的压差比近似地随着流量呈线性增长的关系。由于压差比随着流量的增加而迅速扩大，因此小流量的工况更加适合于内插螺旋图 4 两类传热系统在不同流量工况下的热源温度图 5 不同流量下两类传热系统的热源温差92环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT片的液冷管结构。对不同流量下两类传热系统的对流换热系数展开研究，可得到液冷管内壁面平均对流换热系数随流量的关系，可见内插螺旋片液冷管的内壁面平均对流换热系数明显高于光管，如图 7 所