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水冷漫談(三)——水冷散熱器仿真方法

日期:2019-08-20

水冷散熱器的精細化設計是需要借助仿真軟件的。目前可以完成水冷仿真的商業軟件有很多種,各有優勢,在此不做對比。Jason用的是FloTHERM,但是主要的分析方法是一致的。

不同于風冷的系統,水冷整個系統比較龐大和復雜。工程中一般不會將散熱器,換熱器,泵閥等一起仿真,那樣的計算量太大,一般會確定流量后,單獨對水冷散熱器做定流量的分析。

一、工質的設置

考慮到結冰的影響,一般常用的冷卻介質會選擇乙二醇溶液,西方一些國家基于環保的考慮,限制用乙二醇,則可能應用丙二醇溶液。不管乙二醇,還是丙二醇,加入純水之中,都會影響工質的散熱性能。

為軟件設置工質時,需要考慮密度,比熱,導熱系數和粘度四個主要參數。因為電子散熱場景下,水冷的溫度范圍比較窄,諸如膨脹率等,可以不予考慮。

輸入物性參數看似簡單,但如果工程師是個愛偷懶的人,比如Jason這樣的,同時再有一點疏忽的話,可能會導致嚴重的失誤:仿真時,我們經常需要生成一些新的材料,如果是穩態問題,我們設置固體材料時,常常只設定導熱系數,密度、比熱等參數往往因為偷懶而忽略,事實上,有些復合材料也很難得到這兩個參數的精確值。因此,在慣性思維的引導下,有的朋友在穩態水冷的場景下,設置新的冷卻介質時,會忽略掉比熱,認為這個東東只有在瞬態問題中才有用。我們看一下對流換熱系數的求解公式,貌似一眼過去也沒有看到比熱的影子:

 

   

事實上,比熱隱藏在Pr數之中,我們沒有直接定義Pr數,而是通過比熱,導熱系數和粘度間接定義的。

如果將比熱默認為1,相當于將Pr數縮小了3個數量級,則對流換熱系數相應的縮小一個數量級!有興趣的朋友,可以對比試一下,看夠不夠酸爽,夠不夠驚喜。

另外一個需要注意的是,做風冷的仿真分析,我們大都適應了空氣參數的皮實。一般按照軟件默認的30℃時空氣物性參數,也不會有太大的麻煩。但是水冷的仿真,需要注意是,乙二醇或丙二醇溶液的粘度隨溫度變化比較大,特別是濃度大的時候。比如濃度50%的乙二醇溶液(V:V),20℃時的粘度大約是45℃時的二倍,忽略溫度影響,會導致流動阻力的巨大偏差。

FloTHERM中,可在項目庫中的Fluid中右鍵選擇Create Fluid,并在參數列表內輸入對應數值。

Flotherm支持多流體仿真,可以在指定區域通過Region定義流體。

另外需要提醒的是,Region 的優先級相對較低,與固體重合的區域,默認是固體的材質屬性,僅有未填充區域,才是Region設定的流體,所以如下圖中的復雜流道,沒有必要劃分成很多個小Region分別定義流體,僅需一個Region將整個流道區域覆蓋,定義流體即可。

二、源

前文說過,水冷是的仿真分析,一般不會做整個系統的仿真,通常水冷散熱器是做定流量分析的。在FloTHERM里,大都用FixFlow作為流體的源,設置水冷板的流量。同時可以設定入口處的工質溫度,甚至可以系統的環境溫度不同。

需要提醒的是,FixFlow必須緊貼在求解域的邊界,否則系統會報錯。

三、收斂問題

最完美的收斂,是各條殘差曲線都達到1,但是做氣液共存的水冷仿真,這是很奢侈的事。

FloTHERM中,計算終止標準(殘差到1的位置)分別是:

•質量平衡終止標準(壓力場殘差)=0.005 M (kg/s)

對于強迫對流: M 代表進口或出口處的總流量

對于自然對流: M =ρ.EFCV.A

其中ρ代表流體密度;EFCV: 預估自然對流速度,默認為0.2m/s;A代表水平面面積

•動量平衡終止標準(速度場殘差) = 0.005 MV (N)

對于強迫對流: V 為風扇或FixFlow最大速度

對于自然對流: V為預估自然對流速度

•能量平衡終止標準(溫度場殘差)= 0.005 Q (W)

如果在系統中有熱源或熱沉,則Q為熱源或熱沉總功率

如果系統中無熱源或熱沉,則Q = M Cp ΔT, ΔT = 20 °C

這些參數設置滿足大多數系統的要求,并且是相當保守的收斂標準。含有氣液兩種流體的仿真時,會發生收斂問題,因為系統默認是以空氣作為流體特性參數而設置。以壓力場殘差為例,由于水的密度接近于空氣的1000倍,利用空氣的總流量的0.5%作為判據,這個標準是非常嚴苛的,因此,水與空氣兩種介質共存的仿真場景,殘差會比較高。

為了收斂曲線看上去比較好看,有人會修改收斂判據,比如把M提高1000倍,但是這對計算結果沒有影響,只是看上去好看而已。 

四、關于精度

前不久,交流群里有人貼出了一個FloTHERM與其他軟件的對比,結論是FloTHERM在流動阻力的計算中偏差太大。當時在群里引起了比較激烈的討論。最后得知是測評者在FloTHERM模型中把流線型流道改成了垂直相交的,這無疑增大了流動阻力。

FloTHERM對斜面物體的建模,一直為人所詬病。但其實,FloTHERM軟件自帶的FloMCAD Bridge,可以將復雜的幾何形體轉化FloTHERM模型。包括下圖中的圓弧形流道。

仿真精度,其實跟很多因素有關,邊界條件設置、物性參數選取、模型簡化等都會有影響。因此,拋開工程師的因素,把誤差完全歸結為軟件原因是不嚴謹的。

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