超輕多孔金屬材料換熱性能數(shù)值仿真研究

趙亮，吳波，馮波，張豐華

（西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068）

0 引言

高性能、質(zhì)量輕、體積小及高可靠性的要求導(dǎo)致機(jī)載電子設(shè)備及芯片熱功耗、熱流密度大幅增加，而且對芯片溫度控制提出了更為苛刻的要求，傳統(tǒng)的空氣冷卻面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。對空氣冷卻進(jìn)行創(chuàng)新性的改進(jìn)，大幅提高空氣冷卻散熱能力成為必須解決的問題。超輕多孔金屬材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使它具有輕質(zhì)、散熱、高比強(qiáng)度等多功能復(fù)合特性。超輕多孔金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，孔隙率、孔密度、高度等參數(shù)均影響其換熱性能。本文建立超輕多孔金屬對流換熱模型，通過數(shù)值模擬的方法對超輕多孔金屬材料換熱性能進(jìn)行研究，為其在機(jī)載電子設(shè)備上應(yīng)用奠定換熱性能評估基礎(chǔ)。

1 超輕多孔金屬材料

超輕多孔金屬材料作為換熱結(jié)構(gòu)，空氣流過其內(nèi)部時(shí)，網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)能夠有效地增強(qiáng)流體湍流程度，增強(qiáng)多孔結(jié)構(gòu)固體表面與空氣的換熱能力?；诔p多孔金屬材料開發(fā)高效緊湊的換熱裝置可以在機(jī)載電子設(shè)備熱管理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

張亞平等[1]研究表明，超輕多孔金屬材料散熱器的換熱系數(shù)是同等幾何參數(shù)肋片散熱器的3.6倍。在風(fēng)扇功率相同的情況下，超輕多孔金屬材料散熱器收益因子比同等條件的肋片散熱器高出約20%。H. Mahdi等[2]研究表明，傳統(tǒng)奔騰Pro散熱器平均熱阻是超輕多孔鋁散熱器的3.5倍，超輕多孔鋁散熱器可有效提高CUP散熱性能。超輕多孔鋁CUP散熱器如圖1所示。

圖1 超輕多孔鋁CUP散熱器

2 超輕多孔金屬材料對流換熱仿真模型

超輕多孔金屬材料結(jié)構(gòu)由孔隙率、孔密度、高度等物理參數(shù)決定，這些參數(shù)均對對流換熱性能有影響。在機(jī)載條件下，機(jī)載電子設(shè)備對質(zhì)量要求十分苛刻，孔隙率直接影響超輕多孔金屬材料的質(zhì)量，孔隙率越大質(zhì)量越輕，目前超輕多孔金屬材料最高孔隙率為95%。由于機(jī)載電子設(shè)備空間有限，常用強(qiáng)迫對流換熱翅片一般不高于10 mm。因此在機(jī)載環(huán)境下，多孔金屬材料孔隙率和高度為定值，機(jī)載電子設(shè)備中孔密度是超輕多孔金屬材料結(jié)構(gòu)換熱的主要影響因素，本文選取孔隙率為95%、高度為10 mm、孔密度分別為10PPi和20PPi的多孔金屬銅和直齒多孔翅片作為研究對象，對比研究其換熱性能。截取電子設(shè)備風(fēng)道局部，建立基于十四面體單胞精細(xì)三維結(jié)構(gòu)的超輕多孔金屬對流換熱模型和直齒多孔翅片對流換熱仿真模型，如圖2所示，采用恒熱流密度作為邊界條件。

圖2 對流換熱仿真模型

3 超輕多孔金屬材料換熱性能表征

針對95%10PPi多孔金屬模型、95%20PPi多孔金屬模型、直齒翅片模型開展對流換熱數(shù)值模擬仿真。以數(shù)值仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，分析孔密度對多孔金屬內(nèi)部流動(dòng)與換熱特性的影響，得到雷諾數(shù)Re、努塞爾數(shù)Nu、阻力因子f之間的關(guān)系。引入綜合性能因子i表征其對流換熱綜合性能，為超輕多孔金屬材料換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

多孔金屬作為換熱器材料，對其綜合性能的評價(jià)主要從換熱能力和流阻兩個(gè)方面進(jìn)行評估，采用努塞爾數(shù)Nu和阻力因子f表示兩個(gè)方面。引用換熱與阻力的綜合性能因子i=（Nu/Nu0）/（f/f0）1/3來表征多孔金屬對流換熱的綜合性能，其中下標(biāo)0代表空氣直接流過空槽時(shí)的理論值[3]。

引入努塞爾數(shù)Nu、換熱系數(shù)h、阻力因子f、綜合性能因子i，各參數(shù)計(jì)算式如下[3]：

式中：Q為散熱功耗，W；A為底部加熱面面積，m2；Tw為加熱面的平均壁面溫度，℃；Tf為流體平均溫度，Tf等于流體入口溫度Tin和流體出口溫度Tout的平均值，℃；de為當(dāng)量直徑，m；λ為空氣導(dǎo)熱率，W/（m·℃）；v為入口速度，m/s；Δp為壓降，Pa；L為流道長度，m；ρ為流體密度，kg/m3。

3.1 雷諾數(shù)Re和努塞爾數(shù)Nu的關(guān)系

通過仿真得到了Nu隨Re的變化曲線如圖3所示，雷諾數(shù)Re為124～2119的情況下，隨著雷諾數(shù)的增大，努賽爾數(shù)也逐漸增加。Nu數(shù)隨著孔密度的增加而增加，當(dāng)Re大于186后，20PPi高孔密度的多孔金屬努賽爾數(shù)Nu增加更為明顯，Re為418時(shí)，20PPi多孔金屬的Nu是翅片的1.79倍。可以看出隨著Re的增加，孔密度對Nu的影響更加顯著?？酌芏鹊脑黾邮沟脭_流作用增加，內(nèi)部熱彌散效應(yīng)增強(qiáng)，由于多孔金屬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞了熱邊界層，使得湍流程度增加，起到了增強(qiáng)局部換熱的作用。綜合以上分析可以看出多孔金屬的換熱能力較機(jī)載條件下常用翅片更加顯著。

3.2 雷諾數(shù)Re和阻力因子f的關(guān)系

通過仿真得到了f隨Re的變化曲線如圖4所示，雷諾數(shù)Re為124～2119的情況下，雷諾數(shù)增加，阻力因子快速減小，最終趨于水平。當(dāng)Re小于219時(shí)，20PPi孔密度的多孔金屬阻力因子f增加更為明顯。20PPi和10PPi的阻力因子f較較翅片大很多，當(dāng)Re為418時(shí)，20PPi多孔金屬的阻力因子f是翅片的6.9倍。在低雷諾數(shù)范圍內(nèi)，流體流過多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，壓降主要由于流體與多孔結(jié)構(gòu)骨架摩擦，流體入口段壓力損失導(dǎo)致，多孔金屬較傳統(tǒng)翅片結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，孔相互交錯(cuò)，阻力因子較傳統(tǒng)翅片更大。

圖3 雷諾數(shù)與努塞爾數(shù)關(guān)系

圖4 雷諾數(shù)和阻力因子關(guān)系

3.3 雷諾數(shù)Re和綜合性能因子i的關(guān)系

通過仿真得到了綜合性能因子i隨雷諾數(shù)Re的變化曲線如圖5所示，雖然填充多孔金屬可以大幅度地強(qiáng)化對流換熱，但同時(shí)流動(dòng)阻力也隨之增加，為了衡量不同熱沉的冷卻性能，引入綜合性能因子對多孔金屬及翅片進(jìn)行性能分析?？梢钥闯龀崞木C合性能高于20PPi多孔金屬和10PPi多孔金屬。雷諾數(shù)Re小于628時(shí)，20PPi多孔金屬的對流換熱綜合性能低于10PPi孔密度多孔金屬；而隨著Re大于628后，20PPi多孔金屬對流換熱綜合性能高于10PPi孔密度多孔金屬。其原因在于低熱流密度，低雷諾數(shù)時(shí)，Nu相差較小，但阻力因子相差較大。

圖5 雷諾數(shù)和綜合性能因子關(guān)系

從綜合性能因子i分析翅片綜合性能高于20PPi多孔金屬，翅片性能高的原因在于阻力因子較小，但在機(jī)載條件下?lián)Q熱性能是主要矛盾。從圖3可以看出，20PPi多孔金屬Nu更大，換熱性能更優(yōu)，進(jìn)而可以有效降低表面溫度。雷諾數(shù)Re大于628后，20PPi多孔金屬的換熱性能更高，更具有優(yōu)勢，更適應(yīng)替代翅片結(jié)構(gòu)，雖然填充多孔金屬后壓降較大，但是良好的換熱性能能夠彌補(bǔ)壓降較大的不足，更有利于機(jī)載電子設(shè)備散熱。

4 結(jié)論

從超輕多孔金屬材料換熱性能仿真研究可以得到以下結(jié)論：

1）Nu數(shù)隨著孔密度的增加而增加，當(dāng)Re大于186后，20PPi孔密度的多孔金屬努賽爾數(shù)Nu增加更為明顯，Re為418時(shí)，20PPi多孔金屬的Nu是翅片的1.79倍。可以看出隨著Re的增加，孔密度對Nu的影響更加顯著。

2）當(dāng)Re小于219時(shí)，20PPi高孔密度的多孔金屬阻力因子f增加更為明顯。20PPi和10PPi的阻力因子f較翅片大很多，當(dāng)Re為418時(shí)，20PPi多孔金屬的阻力因子f是翅片的6.9倍。

3）翅片的綜合性能高于20PPi多孔金屬和10PPi多孔金屬。20PPi多孔金屬的換熱性能更高，更具有優(yōu)勢，雖然填充多孔金屬后壓降較大，但是良好的換熱性能能夠彌補(bǔ)壓降較大的不足，更有利于機(jī)載電子設(shè)備散熱。