水冷散热器温度场及热变形的模拟分析.pdf

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1、2011年第39卷第1期流体机械83文章编号：1005—0329(2011)01—0083—04水冷散热器温度场及热变形的～一模一_～．～垂一拟一州m～一～一～一分．～一㈨一析一嘶～_一耋蚕．一～一_一～喜蔓一一一_吣_～呈～三王琴，杨连发，张震(桂林电子科技大学，广西桂林541004)摘要：水冷散热器是保证大功率电气设备正常工作的有效散热装置，其热交换过程及热膨胀变形～直是研究的热点。针对某企业一款水冷散热器的核心部分～水冷部件，应用有限元软件ANSYS建立起其单路冷却流道的模拟模型，分析流体入口流速、空气热对流对流体出口温度的影响以及水冷部件产生的热变形。研究结果表明

2、，流体出口温度随着其流体入口流速、空气热对流系数分别呈现曲线下降、近似线性下降的趋势；水冷部件的热膨胀变形十分明显、且分布不均匀，出现了翘曲现象。关键词：水冷散热器；温度场；热变形；数值模拟中图分类号：TK172文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1005—0329．2011．01．022AnalysisofThermalFieldandThermalDeformationofWater-coolingRadiatorbyFiniteElementSimulationWANGQin，YANGLian—fa，ZHANGZhen(GuilinUniversit

3、yofElectronicTechnology，Guilin541004，China){～一堇一一～一～⋯一一～一一∞砌一㈨一c薹～蛳一一1引言据模拟结果来优化散热器：如Partankar等人的研究为散热器的数值模拟奠定了理论基础；吴随着大功率电气设备的广泛使用及其使用淑泉等对电子设备的强迫风冷过程进行模拟分环境的恶劣化(如军事用途)，对其散热、冷却性析并与实验结果进行对比，结果表明模拟结果是能的要求越来越高。强迫水冷散热的效率为自可靠的；刘衍平等对电力电子设备的水冷散热然散热的20倍以上，是一种较好的热设计解决器进行数值模拟，分析了环境温度、水温、入口流方案⋯。但水冷散

4、热系统中的热量、流体、固体速以及散热器结构对散热效果的影响；郭崇志相互影响，关系复杂，仅通过实验观测难以得出等对固定管板式换热器进行热应力数值模拟，分系统热交换过程中的流场、温度场以及热变形情析了管板与管子、壳体连接处附近的热应力分况。随着数值模拟技术的发展，上述问题的解决布J。本文针对某企业一款水冷散热器的核心成为可能。一些学者数值模拟热交换过程并根部分一水冷部件，应用有限元软件ANSYS分析其收稿日期：2010—05～21基金项目：制造系统与先进制造技术广西重点实验室重大项目(09-007-05s007)FLUIDMACHlNERYVo1．39，No．1，2011温度

5、场及热变形，为水冷部件的热设计、结构优ANSYS软件是大型通用有限元软件，它不仅化设计、可靠性设计提供理论依据。集合了结构、流体、电磁、热四大学科特点，还提供了多个物理场间的相互耦合功能，并且拥有良好2问题描述及模拟模型建立的CAD模型接1：3，可将其它软件建立的CAD建模导入ANSYS进行相关模拟分析。2．1问题描述由于水冷部件的16路冷却流道结构及尺寸某企业的水冷部件是对大功率发热设备进相同，且平行、等距分布，每个冷却流道热的交换行散热的水冷散热系统的核心部分。水冷部件过程基本相似，为简化模拟分析，在此仅建立单共有16路平行、等距的冷却流道，材料为黄铜，个冷却流道的数

6、值模拟模型，如图2所示，其物其中单个冷却流道简化后的结构及尺寸如图1理参数如表1所示。选取FLOTRAN142单元并所示。冷却流道总长为520mm，壁厚1mm。中采用自由网格将实体模型离散化，并加密流道壁部是长度为480mm、截面为40mm×40mm的面处的网格。离散化后网格节点总数为10453正方形冷却流道，大功率发热设备发出的热量，个，单元数为55199个。为保证数值模拟顺利进以热载荷形式施加在其顶面(平面)上；正方形行，对模拟模型还进行如下假设：(1)流体为稳冷却流道的两端设置有2个圆柱凸台，分别用于态层流流动，层流模型通过雷诺数Re：pvDh／I．*连接流体管件(

7、图中未画出)。冷却流道内通以来判断，即Re<2300为层流，反之为湍流；其中P流动水作为冷却介质，流出流道后把热量带走，为介质密度(kg／m)；为流体速度(m／s)；／z为从而达到降低大功率发热设备的工作温度，维持介质粘度(Pa·s)；D为水力直径；(2)流体不其正常工作的目的。可压缩；(3)流体及流道的材料参数均为常量；(4)流道壁面光滑，忽略其热阻；(5)所有壁面无出口滑移(零速度)；(6)只考虑热对流与热传导，忽略热辐射。图1水冷部件的单个冷却流道结构2．2模拟模型的建立图2单个冷却流道的离散化模型表1水冷介质及冷却流道