（人机与环境工程专业论文）矩形通道空芯冷板换热特性研究.pdf

矩型通道空芯冷板换热特性研究 a b s t r a c t t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e so nt h es t u d yo fh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fr e c t a n g u l a r c h a n n e l sc o l d p l a t eu s e d i ne l e c t r o n i cd e v i c e s ，t h e e x p e r i m e n t a lw a y a n d t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da r ea p p l i e dw h i c hi si u s tc a r r i e do u ti no u r c o u n t r y t w ot e s tp i e c e sw i t hs a t i ns u r f a c ea n dr i bs u r f a c ew e r ed e s i g n e du n d e rc o n d i t i o n s o fd i f f e r e n td i s t r i b u t i o no fh e a tf l o wd e n s i t va n dd i f f e r e n ta i rf l u x i nt h ef o l l o w i n g c h a p t e r s a s e to f t h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e l s i n v o l v i n g t h eh e a tt r a n s f e ro f t h e c o o l a n tt u r b u l e n tf l o wa n dh e a tc o n d u c t i o n c o u p l i n g ，w h i c h i sa p p l i c a b l ei ne n g i n e e r i n g ， w a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt oc u r r e n c yn sc o n t r o le q u a t i o n t h es i m p l e r a l g o r i t h mi na n u n s t a g g e r e dg r i ds y s t e m s m a r ts c h e m ea n dk 一t u r b u l e n c e m o d e la r eu s e di nt h e f l o w f i e l d ：t h em e t h o do fw h o l e f i e l dd i s p e r s e da n ds o l v e da r ea p p l e di nt h et e m p e r a t u r e f i e l d t h em e t h o d so fs i pa n d m u l t i g r i d e a c c e l e r a t et h e c o n v e r g e n c e a t l a s tt h e c a l c u l a t e dr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lv a l u e s ，w h i c hs h o w st h a tt h e m a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o ni nt h i sp a d e rw e r er a t h e re f f e c t i v e k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o l d - - p l a t e ；h e a tt r a n s f e r ；c o n v e c t i o n c o n d u c t i o n c o u p l i n g ；r e c t a n g u l a rc h a n n e l ；e l e c t r o n i c d e v i c e s 南京航空航天大学硕士学位论文 符号说明 意义 离散方程系数、截面面积、流量系数 离散方程系数 控制容积边界上的扩散 控制容积边界上的流量 紊流脉动动能 耗散率 x 方向速度 y 方向速度 z 方向速度 直角坐标 限制算子 插值算子 压力 压力修正方程源项 动量方程源项 密度 求解变量 剪切应力 温度 雷诺数 输运系数 导热系数 粘性系数 矩阵 热流密度 线性插值因子 z r 号 彤 ， ： 狲a 口d f s “v w 训 巧 一 p 瓯 唧 p 耻rp 儿 g 目 矩型通道空芯冷板换热特性研究 亭，7 ，f p e ，w ，n ，s ，t ，b e ，w ，n ，s ，t ，b 上标 0 c 曲线坐标 控制体中心节点 控制体周围节点 控制体边界面 上一层计算值 修正量 前时刻的值 粗网格 细网格 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 随着电子组装技术的不断发展，电子设备组件的几何尺寸愈来愈小，同时其组装 密度也不断增加。这样，在电子设备工作时，电子元器件的发热就会以高热流密度的 形式出现。对于高热流密度的散热，如果处理不当将会形成局部高温，而高温将会对 电子元器件产生有害的影响。譬如过高的温度会危及半导体的结点、损伤电路的连接 界面、增加导体的阻值和形成机械应力损伤等。另外，电子元器件的失效率也是随工 作温度的增加而成指数关系增加的。电子设备的可靠性及其性能，在很大程度上取决 于设备是否具有良好的热设计，以及所采取的散热措施是否有效。不合理的热设计是 电子设备可靠性降低的主要原因之一，现在装备的军用电子设备的故障2 0 是由上述 原因引起的。因此确保发热电子元器件所产生的热量能够及时散出，成为电子元器件 今后进一步密集化发展中所必须克服的问题。一般而言，电子设备冷却中电子元器件 允许的结点温度和冷却介质的温差不大，这就决定了现在的电子设备冷却技术是一种 高热流密度、小温差情况下的冷却技术，开展这方面的研究对现在电子设备及仪器的 热分析和热控制方案的设计研究具有关键性的指导意义。 1 1 电子设备冷却技术的发展概况 电子技术的发展经历了几个重要的发展阶段，电子设备冷却技术也随之产生了几 个相应的发展时期。早在二十世纪前期电子管的时代，m o u r o m t s e f f 【lj i 副就研究了大功 率真空管的空气和液体冷却的问题，e l e b a a s l 3 】在1 9 4 2 年提出了翅片组合自然对流换 热的设计和优化方法，这是几篇早期传热研究的经典论著。而随着上世纪中期半导体 技术的诞生，电子封装开始向小型化方向发展，元器件的安装密度得到了提高，结果 功率密度也随之增大，这就产生了更高一层次的热控制问题。 二十世纪六、七十年代，电子设备热控制技术的应用范围不断的扩展，不少人集 中整理和论证了以前的传热成果以及常规空气和液体的冷却技术，也有不少人研究和 发展了新的传热技术，如强化流动、热管以及冷板等，这些技术陆续得到了推广与应 用，在一定的程度上推动了电子技术的发展。尽管如此，现在微电子技术、大规模集 成技术和超大规模集成技术的迅速发展，使得原有的热控制技术还是跟不上微型化的 发展。因为在现代电子设备及仪器中，电子元器件的安装往往彼此紧挨着，它们对环 境因素和广泛变化着的热耗散通常显示不同的灵敏度，以往靠空气流过设备、仪器内 部及其表面，以空气自然对流把耗散热带走的传统冷却方式往往已经满足不了今天的 要求。现在的冷却系统要有更强的工作能力，更高的可靠性和工作效率，否则就难以 满足今天电子设备冷却的要求。 矩型通道空芯冷板换热特性研究 1 2 当今电子设备冷却技术简介 为了对电子设备进行有效的热控制，人们已经拥有了众多的手段，例如：散热器 一风扇的体化形式、冷板、热接触面材料、温差致冷、热管热交换器、涡旋管和空 调。近年来表面贴装技术( s m t ) 的应用普及，使得电子设备的热设计工作变得更为 复杂困难，这是因为s m t 器件与矩型扁平封装器件相比较，物理形状和尺寸的大小 有显著的不同，s m t 元器件更趋小型化、微型化，因而增加了热流密度，使得热设 计更为困难【“。电子设备及仪器热控制方法主要取决于设备总热耗、电子元器件允许 结点温度、环境温度以及电子器件的安装形式等。目前常见的几种电子设备冷却技术 有： 1 2 1 散热器 将散热器直接安装在电子元器件表面，将元器件表面上散出的热量通过热传导导 到散热器上，然后由散热器借助热辐射、自然对流或者强迫空气冷却，将热量散发至 周围环境的空气中。当电子器件的热耗散功率达到1 0 0 m w 以上时应安装与之相适应 的散热器，散热器上的散热片提供了能够满足热耗散的散热表面积。散热器的散热片 通过加工形成长的、矩型的散热片( 实芯或者中间镂空) ，正交方形散热针柱或圆型、 椭圆型散热针柱。 1 2 2 热交换器和空调 采用热交换器和空调能够给电 子机箱提供密闭冷却。电子机箱内 的电子元器件装在由紫铜板或铝板 形成的“热桥”上，电子元器件器 件的发热从“热桥”上导到热交换 器上，再由空调器提供的冷却空气 带出电子设备机箱，如图1 1 所示。 1 2 3 涡旋管 图1 1 电子设备冷却装置示意图 由一个连续不断地产生洁净、除油的、压力在4 9 7 k g c m 2 之间的压缩空气生 成源提供压缩空气。空气被强迫通过涡旋管，内部气流构成冷却气和热空气，冷却空 气被输入机箱内，用于冷却电子设备。 1 2 4 冷板 目前对印刷电路或者混合电路基片进行冷却的常用方式是将它们连接到采用空 气或者液体冷却的冷板上，冷板采用空芯结构，冷板是目前强迫通风冷却气流制冷的 较佳方式，其结构设计代表目前高功率冷板是一种单流体的热交换器，其特点是：可 带走较大的热耗( 气冷式冷板已达1 5 5 k w m 2 ；液冷式冷板可达到4 6 5 k w m 2 ) ：冷 南京航空航天大学硕士学位论文 板上的热负载均匀、温度梯度小；结构紧凑、换热效率高：与同体积的其他热交换器 比较，尺寸小、重量轻、传热面积大( 约为1 0 倍) 。上述这一系列优点，使在电子设 备上的应用有着广阔的前景。 1 2 5 温差致冷f 半导体致冷) 温差致冷又称半导体致冷，能够满足涉及高热密度的特殊情况，或者为了达到最 令人满意的工作效果，要将元器件冷却至低于环境的温度。在这种情况下它是一项相 当有效的技术手段。由于固态有源器件( 热泵) 利用珀尔帖效应。温差致冷要求输入 功率，以便在接触元器件的一端形成致冷端，同时热量从发热端散发出去。 1 2 6 热管 如图1 2 所示，当发热元与热 管蒸发段接触时，便将热量通过管 壁、管芯传给工质，工质受热后吸收 汽化潜热变为蒸汽，并在冷凝段放出 汽化潜热，通过管芯、管壁传到热管 的散热器。其主要特点是它具有极好 图1 2 热管传热示意图 的导热性和等温性，可以在极小的温差下远距离地高效地传输热量，还不需要外部输 送功率。热管在电子元器件的热控制方面有其独特的优点。它把热量从很小的截面传 到更易散热的较大表面提供了一条很方便的途径。功率晶体管向热管蒸发段耗散热 量，热管的温度基本上保持管内蒸汽的饱和温度，所以功率管几乎也处于等温工作状 态。这对电性能的稳定非常重要。但热管对重力敏感，低温环境起动困难。同时热管 工艺复杂，成本高，在变热流情况下保持热管段不变较困难口】。 1 3 冷板研究简介 作为冷却系统的执行元件，冷板自上世纪三十年代问世以来，由于其传热面由翅 片进行充分扩展，使单位体积内的换热面积得到极大提高，并且其翅片结构比较特殊， 或有孔洞、或有缝隙、或折弯，能够破坏边界层，促进流体紊流，因此其换热强度很 大，结构非常紧凑，在各行各业中得到广泛的应用。冷板工作介质有气体和液体两种， 采用液体做工质时，其系统复杂，对设备有更多的要求，目前国内外仍较多采用空气 作为工质。下面介绍有关冷板的国内外研究情况。 1 9 7 8 年j c h a n ，l r g l i c k s m a n 和w m r o h s e n o w t 4 研究了平行通道铝 板，其表面带肋的强迫风冷形式传热和阻力特性( 结构类似冷扳) ，板表面带有四个 加热块，实验结果表明：对于带肋平板之间的对流换热，对称布置和交错布置肋片的 结果近似相同：但肋片布置方式对阻力特性有较大影响。肋距与肋离之比等于1 0 时 s t 数和阻力系数的值最大。 矩型通道空芯冷扳换热特性研究 1 9 8 l 一1 9 8 2 年t u c k e 蛐a j l 和p e a s e 5 】【6 1 首先提出了电子设备及仪器微通道冷板概 念，他们是在宽l o m m 的硅板上用化学腐蚀出5 0 i t m 、高3 0 0 n 的通道，通道壁厚 5 0 b t m 以提高换热。当用水作为工作介质时，流量为1 0 c m 3 s ，压降为3 5 0 k p a ，通道 内热阻降为o 0 9 。c w ，水的温升为7 1 ，可以散去7 9 0 w c r n 2 的热流。到1 9 8 5 年t m a h a l i n g h a m t ”报道当水的流量为6 3 c m 3 s ，热阻在o 0 2 o 0 3 w 。 1 9 8 6 年，k i s h i m o t o 和o s a k i 目引入了一个新的概念，采用铝做冷板，其通道为 8 0 0 “m 高4 0 0 j 上f n ，采用铝板代替硅板取得了较好的效果。 1 9 9 5 年辛明道、张培杰、杨军【9 】等人对空气在9 种不同结构尺寸的微矩形槽道试 件内的受追对流换热进行了实验，通过测量有关数据，计算出微槽三个壁的平均换热 系数，进而整理成两个经验式( 分层流区和湍流区) 。 1 9 9 7 年t a n a k a ，t m a t s u s h i m a ，h u e k i ，a a t a r a s h i ，td o i 用补偿有限元法对冷 板换热器强迫风冷进行了数值模拟：速度场和温度场的计算采用稳态三维不可压紊流 流动方程。 1 9 9 3 年顾学歧、李峻勤】应用c a d 技术，对冷板芯部翅片的几何参数做了优化 设计，做出了翅片参数与热工性能的相关曲线，在a p o l l o 工作站对冷板导流区的 变形场所进行了数值模拟工作。 1 9 9 5 年陈文虎i t 2 等假设冷板两基板表面温度相等，对冷板进行了理论与试验研 究，提出了等效厚度概念：建立了二维数学模型及差分方程，并应用t d m a 、松弛 迭代法进行了求解：并进行了冷板表面为一维热流密度的试验。 、 1 9 9 6 年杨春信、袁修干i b 】对航空电子设备上采用的穿透式空芯冷板冷却系统的 传热特性进行了分析求解，得到了空：卷冷板稳态温度分布表达式和功率一温度一流量 关系式，丁家喜对该空芯冷板的温度场进行了有限元计算。 1 9 9 6 年谭克俊【1 4 1 等采用对流一导热耦合数值解法对矩形通道空芯冷板的强迫风 冷进行了分析，讨论了壁面导热对矩形通道中换热系数的影响，求解冷板在充分发展 段的速度场和温度场时，三维层流模型被简化为二维。 以上研究中常采用简化模型的方法，把冷板内流体的流动看成是充分发展流动， 或不考虑流体的流动情况直接给出换热系数，把冷扳的温度分布计算处理成导热问题 研究。本文将采用三维对流一导热耦合的计算模型进行数值模拟，模拟中考虑流体进 口段的影响。 1 4 本文研究的主要内容 目前电子设备冷却大多采用空芯冷板冷却方式，冷却设计的宗旨是使所有电子元 件结点温度低于容许温度极限，冷板式电子设备的传热机理是通过导热作用将热量传 到冷板上，然后通过强迫空气冷却将热量从冷板上散去，冷板结构的传热是由导热及 冷板内的对流换热共同决定的。对电子设备冷却效果的评定并不在于其整体换热效率 南京航空航天大学硕士学位论文 的提高，因为冷板热源常常是单面局部分布的，对局部发热点的“热桥”设计模拟对于 表贴的电子元器件的冷却是很重要。 本文中所研究的矩形通道空芯冷板，是为某型大型雷达系统内t r 组件的散热而 设计。该雷达冷却系统的冷源是飞机外环境大气，猃握塑堡塑室氯是由飞扭上安装胞 缝坠望! ! 全，基堡皇量笪态尘，电硷凰道杰压进氢旦醚至塑硷凰道逍堑塑篓5 笸乳 的流动阻力决定，而充压进气口的总压夔童与 拐的飞行速度。从上述情况可知，只 有当雷达冷却系统流动阻力写载机的飞行性能型匹配时，才能满足冷板的流量要求。 另外，由于雷达系统的t r 组件较多，为了保持具有同样的电性能，所有t r 组件的 工作环境必须相同，这就要求通过相同冷板的冷却空气流量相同。为了便于流量分配 系统的设计，_ 二燮复= 迭参题魄还塑堕垄担尽。在以往的设计中，冷板的形式一 般采用板翅式结构，但由于钎焊工艺方面的原因，加工出相同结构的冷板往往阻力特 性并不一致。在本文中冷板结构我们采取了机械加工的办法，以保证冷板流阻的一致 性。为了保证冷板的散热，我们分别设计了两种结构的冷板，同时为了设计出好的“热 桥”冷板上表面厚度较大。 本文中主要进行了以下几方面的研究工作： 1 测量矩形通道内光滑和带肋条的空芯冷板的流动阻力； 2 对两种结构的冷板的换热性能进行实验研究： 3 模拟表贴电子元器件的散热，测量冷板上表面的温度分布； 4 采用数值模拟的方法，对光滑矩形通道空芯冷板上表面的温度分布进行了模 拟。 本文研究的主要目的是通过实验和数值模拟，为某型雷达冷却系统中冷板的热设 计提供设计依据。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章实验原理与测量方法 2 1 冷板基本结构 图2 一l 空芯冷板的实物图 图2 2 矩形通道示意图 本文实验与计算模拟的冷板是由七个矩形通道组成的单层肋片式换热器。如图2 1 所示，冷板上表面为等间距排列的几何尺寸相同的加热膜，用于给冷板加热。冷板 内矩形通道分两种形式：光滑通道和通道一侧带肋，图2 2 中上图为两种通道的相同 部分，下图是带肋的一侧，对于光滑通道则没有肋，此面为冷板上表面( 发热元件安装 面。) 2 2 实验装置与原理 图2 3 矩形通道空芯冷板换热实验系统图 南京航空航天大学硕士学位论文 本文试验的主要目的是为了测量矩形通道空芯冷板的流动阻力和对流换热系数， 并在此基础上测量孤立发热元件发热时在冷板表面形成的温度场。从而验证该冷板是否 满足电子设备冷却需要，也为数值模拟提供对比数据。 实验系统装置如图2 3 所示，主要由供气系统、试验段和测量设备组成，主要包 括：气源、孔板流量计、连接过渡段、稳压箱、试验段( 包括冷板，发热件，热电偶等) 、 加热电源、电流表、电压表、计算机测控系统等。其工作原理是：空气由压缩机经过控 制阀进入孔板流量计，再经过连接件进入稳压箱后流入冷板，与冷板进行热交换后，经 过出口连接件排入大气：冷板热边的热量由加热膜或电阻片在电源供电后产生。 2 3 实验测量方法 2 3 1 温度测量 在冷板的换热性能测试实验中，为了 保证发热元件产生的热量完全由冷却空气 带走，需要将冷板与外界的热交换降到最 低，因此实验中需要对冷板进行绝热。! 弓外， 为了方便冷板的定位，并保证材料有很好的 保温性能，实验中选用泡沫塑料作为保温材 料。同时，为了实现具体连接和保温的需要， 在实验中采用胶木板制作了箱体用于安装 和固定冷板试验段。如图2 4 所示，图中 冷板处于泡沫塑料的中心处。 圈2 4 冷板傈疆装置霉 圈2 - 5 光滑通道冷板加热元件和热屯俩安装圉 图2 6 带肋道递襻鬣氟熟冤棒翱热电髑安装图 为了获得冷板的换热系数和冷板表面的温度分布，需要测量冷却空气的进、出口 温度和冷板发热表面的温度。本文实验中采用精度为4 的铜一康铜热电偶来测量温度， 其具体安装位置和安装方式为：1 ) 空气侧在冷却空气的进口和出口通道的中心位置安 置热电偶测量空气的进、出口温度。2 ) 冷板发热面上热电偶的安装是在冷板表面用转 南京航空航天大学硕士学位论文 头打出小的盲孔，然后将焊好的热电偶埋入，并用导热胶进行固定；其安装位置则根据 试验目的不同分两种形式：测量冷板的换热系数，这时发热元件均匀分布于冷板上表 面，在冷板发热表面共布置1 0 个热电偶，在对称中一1 1 , 线上等距布置6 个，对称中，t l , 线 左右各有两对共4 个( 如图2 - 5 ) ；测量冷板上表面温度分布，这时发热元件以孤立 形式分布在冷板上表面，在冷板上表面共布置2 4 个热电偶，主要布置在发热元件的底 部和周围( 如图2 6 ) 。 为了保证测量的冷却空气出口温度为混合平均温度，试验中专门加工了出口段， 并对其进行了保温处理( 如图2 3 ) 。实验中各热电偶所测温度由计算机测控系统直接 显示并记录。 2 3 2 流量及流阻测量 本试验中空气的流量由孔板测量。所使用孔板的测量精度为5 ，量程为0 1 0 0 k g h 。系统所需流量由孔板前阀门控制，在实验中调整阀门开度，在不同开度下， 通过孔板流量计算公式计算出流量，直到调整到系统所需要的流量。 冷板流阻的测量是由u 型管水排测量的。在系统设计中加入了稳定段，冷板安装 在稳定段前( 如图2 3 ) 。冷板流阻的测量是将u 型管的一端与稳定段的壁面相连，所 感受压力为稳定段的静压，另一端与大气相通，此u 型管所测压差即为冷板的流阻。测 量时出口段不与试验段相连，以防增加排气阻力。另外，由于稳定段流向横截面远远大 于冷板流道总截面，可以认为稳定段内流向动压可以忽略，稳定段内静压即为其总压。 2 3 3 发热量测量 根据试验目的不同，在测量冷板换热系数时，冷板上表面的加热元件为加热膜。 在电流不大的前提下为了保证加热功率，实验中把加热膜裁成细条用导热绝缘胶均布在 冷板上表面，采用串联的办法增加电阻( 如图2 5 ) 。在测量冷板表面温度分布时，加 热元件为电阻片。实验中把电阻片用螺钉固定在冷板表面，其位置相对冷板几何尺寸对 称，共3 个电阻片( 如图2 6 ) 。 发热元件的加热量由可调直流电源控制，并由电流、电压表测量加热量。加热量 的大小主要是根据冷板发热面上的温度来决定，为了提高所测量的换热系数的精度，一 般要求冷板表面温度与空气进口温度在3 0 以上；另外，也要求空气进、出口温差较大。 在试验时，通过观察冷板表面的温度来确定一加热量，并维持稳定，其大小由电流、电 压表测得的电流和电压相乘得到。在考察换热实验是否达到平衡时，把空气进、出口的 温差与流量和热容相乘得到空气的换热量，比较加热量和空气的得热量是否一致，来决 定试验是否达到稳态。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章实验结果与分析 本文试验中对两种矩形通道空芯冷板在不同流量下的流动阻力和温度分布进行 了测量，通过对测量结果的整理得到了两种通道冷板的换热系数和阻力特性。 3 1 实验数据处理 实验中采用孔板流量计测量冷却空气流量，孔板流量计的流量计算公式为： g = a p a p ( 3 1 ) 其中：a 为孔板流量系数、p 为孔板前空气密度、p 为孔板前后压差。 本文中孔板流量计的流量计算公式具体为： g = 1 2 l - p m - 一= 1 2 1 ( 3 2 ) 式中p 寰为孔板前所测空气的表压( p a ) 、珞为实验时环境大气压力( p a ) 、a h 为用 单管水排测量的孔板前后压差( m m h 2 0 ) 、l 为进入孔板的空气温度( ) ，由冷板 前热电偶测量。 矩形通道空芯冷板的阻力特性可以整理成阻力系数和流动雷诺数之间的关系。对 于矩形通道空芯冷板而言，其雷诺数的定义为： r e ：型 “ ( 3 3 ) v 为单个矩形通道的流速，处理中认为进入冷板每一个通道的冷却空气流量相等， 这样流速计算式为：v 2 丙i 著毛丽耐s ) ，其中n 为通道个数、a 为单个通道的 流通横截面( m 2 ) 。，为矩形通道的特征长度( m ) ，其计算式为：，：掣，u 为矩形 u 通道的湿周( r r l ) 。 矩形通道空芯冷板的阻力系数计算式为： ，；墨 ( 3 4 ) 。 1，日 、。 i 丁 式中，a p 是冷板前后空气的压降( p a ) 、h 为矩形通道的长度( m ) 。 矩形通道空芯冷板的平均换热系数计算式为： 矩型通道空芯冷板换热特性研究 弘意写 ( 3 5 ) t ， 式中：不2 专厂为冷板上表面的平均温度( ) ，吖为冷板上表面安装的热电偶的 个数；岛：掣为空气侧定性温度，。、，。分别为冷板进出口空气的温度( ) ； f 为冷板上表面面积( m 2 ) ；q 空为空气带走的热量，计算式为：q 窀= g c ，( f 。一f ，。) 。 由于q 。的大小直接影响到实验数据的可靠性。在实验中我们监测了电加热量与 空气换热量的大小，只有当( q 电一q 空) q 电1 0 0 5 时，才可以认为实验达到了热 平衡，这时所测实验数据方为有效数据。 同样，我们也把矩形通道空芯冷板的换热特性整理成努谢尔特数和流动雷诺数之 间的关系。努谢尔特数的定义式为： nu：丝(3-6) a 3 2 实验结果及分析 本文中对两种矩形通道的空芯冷板进行了阻力特性和换热特性的试验研究，在换 热试验中分别测量了冷板的平均换热系数和孤立加热元件在冷板上表面的温度分布。 本节中根据上节介绍的实验数据处理方法对实验数据进行了处理，并对实验结果进行 了分析。 3 2 1 矩形通道空芯冷板的阻力特性 两种矩形通道的空芯冷板流动阻力测量数据如表3 1 、3 2 所示。 表3 1 内表面光滑冷板流阻实验数据 流量g ( k g h ) 1 0 2 91 9 92 9 8 53 9 9 44 9 8 95 9 9 8 流阻( m m h 2 0 ) 93 37 01 2 11 8 32 5 6 表3 2 内表面带肋冷板流阻实验数据 i 流量g ( k g h ) 1 0 1 82 0 1 32 9 8 54 0 9 65 0 7 5 流阻( m m i - 1 2 0 ) 4 7 1 6 3 3 3 55 8 58 4 6 从表3 1 和3 2 可以看出随着冷却空气流量的增大，冷板的流动阻力也随之增 大。另外，对比表3 1 和3 2 中的实验数据可以看出，在相同流量下内表面带肋冷 i o 南京航空航天大学硕士学位论文 板的流阻明显比内表面光滑冷板的流阻大，这主要是由于带肋通道内横向肋片对空气 产生了扰动。加剧了湍流脉动。 为了在工程中应用方便，本文将矩形通道空芯冷板的阻力特性整理成阻力系数和 流动雷诺数之间的关系，如图3 1 和3 2 所示。其中图3 一l 为光滑通道的阻力特 00 6 2 00 6 0 0 0 5 8 0 0 5 6 o 0 0 5 4 0 0 5 2 4 0 0 01 6 0 0 0t 0 02 0 0 图3 2 光滑矩形通道冷板阻力系数与雷诺数的关系图 o3 4 03 2 03 0 02 8 - 02 6 02 4 02 2 2 0 0 04 0 0 0 6 0 0 08 0 0 01 0 0 0 01 2 0 0 01 4 0 0 01 6 0 0 01 8 0 0 0 r e 图3 2 带肋矩形通道冷板阻力系数与雷诺数的关系图 性图，图3 2 为带有横向肋通道的阻力特性图。 3 2 2 矩形通道空芯冷板的换热特性 在矩形通道空芯冷板的研究中，主要测量了冷板的换热系数和冷板上表面的温度 分布。根据上面介绍的数据处理方法，通过计算获得了冷板的换热系数和努谢尔特数 与雷诺数的关系图。 j l 矩型通道空芯冷扳换热特性研究 各种工况下，冷却空气流量、加热量和各温度测点具体的实验数据如下表3 3 、 3 4 所示： 表3 3 光滑通道冷板实验数据 流量g ( k g h 1 0 5 22 0 6 73 0 2 34 0 2 25 0 8 8 加热功率q ( w ) 7 7 81 8 72 2 8 72 9 1 52 8 3 t 1 ( ) 6 5 0 56 8 8 46 2 56 1 1 45 2 8 8 f t 2 ( 7 3 ) 6 8 6 77 5 1 36 9 36 8 8 46 0 0 5 t 3 ( ) 7 1 8 28 0 4 47 4 6 87 4 6 86 5 2 7 | “( )7 3 8 28 3 5 37 8 0 47 8 4 66 8 6 7 jt 5 ( ) 7 4 2 78 4 4 17 9 1 17 9 3 36 9 3 4 lt 6 ( ) 7 3 3 88 2 6 57 6 6 97 6 4 76 6 6 4 it 7 ( ) 6 8 6 77 5 3 66 9 36 8 8 46 0 0 5 l t 8 ( v ) 6 8 4 47 5 _ 3 66 9 - 36 8 8 46 0 2 7 t 9 ( c ) 7 4 2 78 4 6 37 9 1 17 9 3 36 9 5 7 t 1 0 ( )7 4 2 78 4 6 3 7 9 1 l7 9 3 36 9 5 7 t l “)1 9 2 51 8 2 1 8 21 8 21 8 7 5 t 1 2 ( c ) 4 4 4 54 9 1 24 4 1 74 3 2 l3 7 7 9 表3 4 带肋通道冷板实验数据 流量g ( k g h ) 1 0 2 32 0 1 22 9 9 74 0 7 8 5 0 5 3 加热功率q ( w ) 9 5 7 41 8 0 0 72 4 1 12 6 9 5 92 8 9 1 t l o z ) 4 74 6 7 64 3 9 34 0 3 83 7 9 8 t 2 ( ) 4 9 5 85 0 2 84 7 9 34 4 1 74 1 8 1 t 3 f 15 2 8 45 3 7 75 1 4 44 6 7 64 4 1 7 t 4 ( )5 5 8 45 7 7 0 5 5 3 95 0 7 44 7 7 0 t 5 ( )5 7 9 36 0 2 35 7 9 35 2 6 0 4 9 3 5 t 6 ( ) 5 8 46 0 9 05 8 6 15 3 3 05 0 0 5 t 7 ( ) 4 9 5 85 0 0 54 8 4 04 4 6 44 2 2 8 t 8 f )4 9 5 85 0 0 54 8 4 04 4 4 04 2 0 5 t 9 ( ) 5 8 1 66 0 6 86 0 6 85 3 7 75 0 5 1 t 1 0 ( c ) 5 8 1 66 0 6 86 0 6 85 3 7 75 0 5 1 t 1 1 f 11 9 21 9 o1 9 21 9 01 9 2 t 1 2 ( c ) 4 9 8 14 8 8 84 5 3 54 0 8 63 7 7 4 根据表3 3 、3 4 中的数据得到的流量与对流换热系数口之间的关系如表3 5 、 1 2 3 6 。 表3 5 光滑通道冷板流量与对流换热系数对照表 【流量( k g 1 1 ) 1 0 5 22 0 6 73 0 2 34 0 2 2 5 0 8 8 l 口( w c m 2 ) 1 5 0 0 83 0 35 34 0 0 25 0 6 5 25 8 5 5 5 表3 6 带肋通道冷板流量与对流换热系数对照表 流量( k g h ) 1 0 2 32 0 1 22 9 9 74 0 7 85 0 5 3 口( w w )3 7 1 6 3 68 5 1 81 0 8 91 2 5 2 8 将传热系数与流量之间的关系进行无量纲化，将表3 5 和3 6 中的数据转化为 n u 与r e 之间的关系图，以便于今后工程设计中具有通用性。 从表3 5 、3 6 和图3 3 、3 4 中可以看出，随着冷却空气流量的加大，换热 1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 0 0 z 8 0 6 0 4 0 2 0 2 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 0l 1 2 0 0 01 4 0 0 01 6 0 1 8 0 r e 图3 3 光滑通道冷板雷诺数与努谢尔特数的关系图 图3 4 带肋通道冷板雷诺数与努谢尔特数的关系图 矩型通道空芯冷板换热特性研究 系数也随之增大。由于带肋通道内横向肋片起到破坏边界层、增加气流在通道内的扰 动，带肋通道冷板的换热情况要远远好于光滑通道冷板。由以上实验可知，在流动阻 力允许的情况下，电子设备冷却中要优先使用带肋通道冷板。 3 2 3 矩形通道空芯冷板上表面的温度分布 本文实验的另外一个主要任务是在一定发热量的情况下，测量模拟电子元器件的 电阻片底部的温度是否超过限制温度，同时测量冷板表面的温度分布。图3 5 为电 阻片在冷板上的安装位置示意图，图中黑块表示电阻片。 ! 二 = 二 r 斗_ 卜 图3 - - 5 电阻片安装位置示意图 考虑到电子元器件在冷板上的贴装是根据系统电性能要求进行的，同时冷板的冷 却空气进、出口的位置也要根据系统在飞机上的安装需要进行，不一定符合方便散热 的要求。因此，在本次实验中对如图3 5 安装电阻片的冷板，进行了两次试验。在 文中规定从装有两个发热元件的一侧进入冷却空气的称为前向进气，反之从另一侧进 气成为后向进气，以考察这两种情况下冷板上表面温度分布的变化情况。下面采用示 意图在把冷板上温度测量点的温度在相应的位置表示出来。 以下为前向进气，光滑通道冷板上表面的温度分布图 臣芏坐：严。j 产产乎7 1 e d 二j 二 卜p 卜e 拦i ， j i 鸭 【蹄州i ij jii ，i b #l l 图3 6 冷却空气流量g = 4 0 k g h ，各电阻片的加热量均为4 5 w ，热流密度为2 0 8 w c m 2 障葺亘扫呻 紫r 晦二n i ； r r r 1 l j 、十t r _ _ ，ii l 一= = 茸_ 韶扫本i _ 一中5 f 6 1 4 一丰寸寸佟 一1 一m t w l r 1 r 。r 一【 二j 趟r _ r i 丁h ”i | _ _ 一寸r 一r 十1 _ 1 十f 一 图3 7 冷却空气流量g = 3 0 k g h ，各电阻片的加热量均为4 5 w ，热流密度为2 0 8 w e m 2 南京航空航天大学硕士学位论文 6 8 , l g 也匝r 帝巾ju 二卜 i 靠每，j 二： = 二孽 二干二_ 【_ = 1一 t 硎t 广fr 丁_ ：= t _ _ 一一矗扛l 一卜 叶刹二 啊# _ i 士i ：芏土矗i上 f 1 f 图3 - - 8 冷却空气流量g = 2 0 k g h ，各电阻片的加热量均为3 9 w ，热流密度为1 8 0 6 w c m 2 从以上三图中可以看出，孤立电子元器件发热时，冷板上表面的温度并不均匀， 在发热器件底部和附近温度较高。对照图3 6 、3 7 可知，在相同的热流密度下， 冷却空气流量为4 0 k g 的发热元件下表面温度较3 0 k g h 的低且不超过7 0 。c ，说明在此 热流下对电子设备冷却的单个冷板的冷却空气流量必须大于4 0 k g h 。 以下为后向进气，光滑通道冷板上表面的温度分布图： - 一4 - 一 。辈岛l i ! ，上盈。ij ：， j l 礼 咤r ? _ 目丘j “i 一： f ”1 呻n 一拉j 洋 1r 一卜。 午二l | l 二式拦 l ；j l 一k 、 f h 图3 - - 9 冷却空气流量g = 4 0 k g h ，各电阻片的加热量均为4 6 w ，热流密度为2 1 3 w c m 2 f7 f 一十。 8 b h 。b l _ + 1f 【 i 1 枉n ， 【1jijii 坚! 量兰! ! ：竺rf 7 7 j o p 平2 i 矗 。i j l 一-j a - i1l i rpo ，iv 5 m i i l 1l t l jf毗1ja 】f 1jjiji i1 ：ii11w iq【l 一爿犁8 “1 降牛丰二 二 lf 目l 【iii i 【il l l i i 】 j j 矩型通道空芯冷板换热特性研究 小。从此实验也可看出，对于电子设备冷却中，热流密度大的期间应尽可能安装在冷 板的冷却空气进口位置，这样有利于散热。 以下为前向进气，带肋通道冷板上表面的温度分布图 图3 1 2 ，冷却空气流量g = 2 0 k g h ，各电阻片的加热量均为4 3 w ，热流密度为1 9 9 w c m 2 图3 1 3 冷却空气流量g = 3 0 k g h ，各电阻片的加热量均为5 0 w ，热流密度为2 3 1 5 w c m 2 图3 1 4 冷却空气流量g = 4 0 k g h ，各电阻片的加热量均为5 0 w ，热流密度为2 3 1 5 w c m 2 以下为前向进气，带肋通道冷板上表面的温度分布图 图3 1 5 冷却空气流量g = 2 0 k g h ，各电阻片的加热量均为4 3 w ，热流密度为1 9 9 w c m 2 6 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 1 6 冷却空气流量g = 3 0 k g j h ，各电阻片的加热量均为5 0 w ，热流密度为2 3 1 5 w c m 2 图3 1 7 冷却空气流量g = 4 0 k g h ，各电阻片的加热量均为3 0 w ，热流密度为1 3 8 9 w c m 2 从上图中可以看出有关冷却空气进气的方向引起的温度分布差异，光滑通道和带 肋通道是一致的，但总的看来由于带肋通道的换热系数较光滑通道高，在相同冷却空 气流量、相同热流密度的情况下，带肋通道空芯冷板上电阻片底部温度要低。 从以上各图中我们还可以看出，在冷板的对称位置测量点的温度基本相同，这说 明了本文的实验方案和测量方法是可靠的。另外，对于冷板上发热元件的这两种布置 方式，我们可以总结为：前向布置，冷板的温度差别小；而后向布置，冷板的前后温 差大。这对于要求电子元器件结点温度有严格要求的电子设备热控制具有指导意义。 当然，在设计中不仅仅只考虑换热系数，同时还需要结合流动阻力综合考虑。从上述 的实验结果可以看出，在今后的优化设计中可以考虑在发热器件下的通道内加肋，而 在其它部分采用光滑通道，这样既考虑了换热同时也减小了流动阻力。 矩型通道空芯冷板换热特性研究 第四章矩形通道空芯冷板换热数值模拟 现实世界中的流动与传热问题往往是湍流换热问题，是复杂的流动与传热问题。 二十世纪六十年代以来，数值模拟方法得到了迅猛的发展，由于它不受实验条件的限 制，通用性强、适用性广、具有一定的优势。数值方法主要有有限差分法、有限容积 法、有限元法、边界元法、数值积分变换法、控制容积有限元法、谱分析法等，由于 有限容积法得到的离散方程可以保证具有守恒性，对区域形状的适应性较有限差分法 好，同时还可以利用有限差分法在分析方程离散格式的稳定性和精度方面的结论，因 此有限控制容积法是目前应用最普遍的一种数值方法【l5 】i l “。采用有限控制容积法求 解首先是网格生成，建立物理区域与计算区域之间的对应关系，得到方程变换所需的 几何量；采用合适的离散格式把微分方程转化为代数差分方程，然后应用一定的求解 方法得到差分方程的数值解。最后根据问题的要求在物理区域中以适当的方式表达计 算结果。 我们前面已对冷板进行了实验研究，并得到了一系列数据。本章主要是通过三维 数值模拟计算冷板上的温度分布，并把计算结果与实验结果相比较，以验证模拟结果 的计算精度。 4 1 网格生成技术 用有限差分法进行数值计算，首先必须对需要求解的区域进行网格划分，即需要 生成计算用网格，生成计算用网格的方法称为网格生成技术。网格生成技术是计算流 体力学( c f d ) 发展的一个重要分支【l5 1 ，因为生成网格的质量对流场计算有很大的影 响，有时甚至起到决定性的作用。 在网格生成技术的发展过程中，计算网格生成方法大致可以分为三大类，即代数 生成方法、双曲型微分方程生成方法、椭圆型微分方程生成方法。椭圆型微分方程生 成方法是通过求解椭圆型微分方程来实现网格生成的方法。由于椭圆型微分方程在用 数值方法求解时具有良好的收敛性，同时大家熟悉的导热微分方程也是椭圆型微分方 程，这样，把导热微分方程作为物理模型，能够加强对计算结果的理解，因此在本文 中用椭圆型微分方程生成方法生成计算用网格，下面具体介绍此方法。 4 1 1t t m 方法【1 7 l 椭圆型微分方程生成法中，最早的代表为著名的t t m 方法。该方法取x ，y 平 面中一对l a p l a c e 方程： # “+ 勃一 ( 4 1 ) 口“+ r w = 0 南京航空航天大学硕士学位论文 的解作为计算网格坐标，该解应满足边界条件 = 。( j ，y ) r = r 1 ( x ，y ) f = 善2 ( x ，y ) r = 玎2 ( x ，y ) # = ，( x ，