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一种水冷系统散热浅析

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一、概述

液冷散热板作为水冷系统的重要组成部分,主要是将发热元器件产生的热量与冷却液充分交换。

某水冷系统部分如图所示,由IGBT、水冷散热板、铝合金板以及铝条安装件组成。

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水冷系统部分三维示意图

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水冷系统部分三维爆炸图

 

二、技术参数

1、IGBT单个功耗:100W,共3个;

2、环境温度20℃,水冷散热板水流入口处温度与环境温度相同。

三、icepak仿真模拟

与固体有限元计算需要实体模型不同,流体计算域需要的是流道模型。简言之,流体域指的是流体能够达到的区域。因此,需要对CAD软件创建的固体实体模型进行处理,以抽取流体计算区域。

DMDesignModeler)是ANSYS workbench中一个模块,主要用于几何模型创建及计算模型准备。其提供了一系列工具用于流体计算域的生成。主要有:Fill功能、几何布尔运算。

进入DM模块,进入菜单File > Import external Geometry File,选择读入创建的几何x_t格式,然后点击Generate按钮,生成几何

对于流道内表面相对比较复杂的几何DM提供了By Gaps的方法。在使用此方法之前,需要将开口位置生成surface进行封闭。对于本例中的几何,需要利用edge生成4个表面将模型封闭起来。

创建surface:点击菜单Concept > Surface from edges选择如图所示的edge,点击generate按钮,生成surface.下图中黄色弯道是抽取的流道solid

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DM导入到Icepak中显示的界面如下:

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opening.2水体进口的Properties面板下勾选X Velocity,并输入初速度为-1m/s,保持默认的温度为ambient,使用环境温度作为进口温度;点击下方的Done,确认完成。

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同理在opening.2.2水体进口的Properties面板下勾选X Velocity并输入初速度为-2m/s

在水体出口的Properties面板下取消勾选Temperature,点击下方的Done 点击右键选择出口模型,选择CreateMonitor point,创建变量监控点,双击Point下的出口模型,勾选速度及温度,表示监测出口的温度及速度。 并且监控3个热源source

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选择3个热源模型source,点击编辑按钮,在属性面板中对Total Power输入100W,点击下方的Done

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对于比较复杂的热模型,给各个器件设置多级网格级数,以保证划分网格贴体:

右键单击模型树下器件名称,点击Set meshing levels,在出现的对话框中输入级数,点击Done表示完成。

使用同类操作对水冷板、水体主体、水体进出口、热源分别设置网格级数均为3IGBT2,其余模型采用默认值(0级)。

点击快捷工具栏中的网格划分按钮 ,打开划分网格窗口,对于导入icepak的热模型,一般选取划分网格类型Mesher-HD(称为六面体占优网格),图中没有显示的部分采取默认值,然后点击Generate生成网格。

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网格检查:

选择模型树下的不同器件,单击网格划分面板的Display,选择SurfaceSolid fill,可检查划分网格是否贴体。

从图中可以看到划分的网格完全贴体几何模型,整体模型划分网格质量较好;点击Cut plane,可以检查不同切面的网格分布。

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面的对齐率Face alignment约为0.43(小于0.15表示不好的网格),通过切面网格可以发现,满足ANSYS Icepak对流体区域网格的要求。

残差曲线:

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从上图可以看出,随着残差曲线达到收敛标准,监控点的温度、速度将平稳不变。

后处理显示:

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定量分析表:

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四、仿真结论

1、从后处理显示图中,可以看出3个热源的最高温度为23.2℃;

2、水冷散热板进出口温度差(平均值相减)0.5℃。

五、理论计算

水冷散热板可以吸收的热量:

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在热仿真模型中,热源本文中技术参数总热耗为300w;那么相对误差(315-300/300=5%,根据水冷散热板进出口的质量统计以及相对误差分析,可以看出,本文散热仿真完全收敛。

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