硕士论文-并联型水冷散热器

1、并联型水冷散热器的数值模拟及优化重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：邹 羽指导教师：李隆键 教 授专 业：动力工程及工程热物理学科门类：工 学重庆大学动力工程学院二O一六年五月Numerical Simulation and Optimization ofthe Parallel Channel Water Cooling RadiatorA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMasters Degree of EngineeringByYu Z

2、ouSupervised by Prof. Longjian LiSpecialty: Power Engineering &Engineering ThermophysicsCollege of Power Engineering Chongqing University, Chongqing, ChinaApril, 2016中文摘要摘 要随着我国经济的不断发展，特别是高铁行业的飞速发展，各种电力电子设备在动力机车上得到了越来越广泛的应用，特别是大功率的IGBT模块成为了高速动车组上越来越重要的组件。这些电力电子设备正朝着大功率、小型化、集成化、高性能的方向不断发展。随之而来的问题

3、就是，这些设备的发热量越来越大，致使系统的热流密度剧增。而这些设备必须在一定温度范围内才能正常工作，若温度过高超过其所允许工作的最高温度，会致使设备的可靠性大幅降低甚至烧坏设备。因此，对动力机车上的电力电子设备的散热研究变得越来越重要。目前，动力机车上所用的散热器以水冷散热器为主，传统的水冷散热器大多采用串联型流道，它存在的问题就是：在沿着流动的方向，冷却水的温度是不断升高的，造成整个散热器的温度分布很不均匀。为了解决上述问题，本课题将研究一种并联型流道的水冷散热器，主要工作内容如下： 建立了并联型水冷散热器的物理数学模型，并进行了相应的数值模拟计算，得到了衡量散热器性能的各个相关参数，并对计

4、算结果进行了分析。提出了衡量温度分布均匀性的方法，并通过分析得出了：流量分布的均匀性决定了温度分布的均匀性。然后，比较了不同的进口冷却水流量对散热器性能的影响。结果表明，散热器温度分布的均匀性是随着流量增大先增加后减小，存在一个临界流量值使温度分布最均匀。 由于水冷散热器的完整模型结构相对复杂，网格数量巨大，为了减少计算量和缩短计算时间，提出了一种有效的简化模型分析方法，并对模型的可行性进行了验证。 为了提高水冷散热器的综合性能和温度、流量分布均匀性，对其进行了结构优化，设计了平板型、平直翅片型、扰流柱型和折流型四种不同的流道结构，对四种流道结构进行了数值模拟计算，得到了每种结构的阻力与传热性

5、能，并考察了流道厚度对散热性能的影响。通过散热器的综合性能评价因子对每种结构的散热器进行了分析，结果表明折流型流道的综合性能是最好的。 运用多孔介质模型分析了散热器在每种流道结构下的流量分布均匀性，结果表明折流型散热器的流量和温度分布均匀性是最好的。关键词：并联型水冷散热器，IGBT，数值模拟，综合性能评价因子，温度均匀性75英文摘要ABSTRACTWith economic boom of China, especially the rapid development of high-speed rail industry, various power electronic devices

6、have been applied more and more widely to locomotives. Particularly, high-power IGBT modules have already become increasingly significant in high-speed rail. All these power electronic devices develop toward the high-power, miniaturization, integration and high-performance direction. The problem fol

7、lowing it is that the increasing calorific value of these devices renders that heat flux of system also increases quickly. However, this equipment has to work at a certain temperature range. If the temperature exceeds the maximum allowable working temperature, the reliability of the equipment may be

8、 dramatically reduced and even the equipment be burned down. As a result, the study on cooling the devices in locomotives has become necessarily significant.At present, the water-cooling radiator has predominated in locomotives. Channels in traditional water-cooling radiators are mostly connected in

9、 series. The problem is that the temperature of cooling water will continue to rise along the flow direction, which will result in uneven distribution of temperature on the radiator. In order to deal with above-described problem, this paper focuses on the water-cooling radiator whose channels are co

10、nnected in parallel. The main contents of this paper are as follows: Physical and mathematic model of the parallel water-cooling radiator has been established and numerical simulation was applied to the model. Then, various parameters of the performance of the radiator were obtained and the calculat

11、ed results were analyzed, too. A method for measuring the uniformity of temperature distribution, which is determined by the uniformity of flow distribution, has been proposed. Moreover, by comparing different flow rate of the cooling water, it was concluded that the uniformity of temperature distri

12、bution would first increase and then decrease as flow rate increase and there exists a critical flow rate that can make the temperature uniformity achieve the optimal value. Because of the sophistication of the radiators model and huge grid, an effective simplified model method has been proposed to

13、reduce the computation cost and shorten computation time. In addition, the feasibility of the model has been verified. In order to improve the performance and temperature and flow rate uniformity of the radiator, structure optimization is carried out. Four different channel structures, including the

14、 plate, straight-finned, pin-fins and zigzag channel, were designed. Frictional and heat transfer characteristics of every structure were obtained by applying numerical simulation to them. The effect of flow channels thickness on cooling performance was also investigated. Four kinds of radiators wer

15、e analyzed with the overall performance evaluation factor. The results show that the comprehensive performance of the zigzag channel is optimal. The flow distribution uniformity of every channel structure of the radiator has been analyzed by using the porous media model, which shows that the uniform

16、ity of temperature and flow distribution of the zigzag radiator is optimal.Keywords：Parallel Channel Water Cooling Radiator, IGBT, Numerical Simulation，Overall Performance Evaluation Factor, Temperature UniformityError! No text of specified style in document.目 录中文摘要I英文摘要III1 绪 论11.1 课题背景11.2 电力电子设备主

17、要散热方法21.3 动力机车水冷散热系统介绍51.4 国内外研究现状61.4.1 国外现状61.4.2 国内现状71.5 研究内容81.6 研究意义92 并联型水冷散热器性能数值模拟112.1 物理模型112.2 数学模型122.2.1 控制方程122.2.2 湍流模型132.3物性及边界条件142.4数值模拟计算152.4.1 建模及网格划分152.4.2 网格无关性分析162.4.3计算方法及收敛条件172.5计算结果分析172.5.1 温度场及速度场分析172.5.2 均匀性分析202.6不同流量下的水冷散热器性能分析222.7本章小结253 单元流道阻力与传热性能分析273.1 引言2

18、73.2 单元流道的阻力与传热性能273.2.1 平板型流道273.2.2 平直翅片型流道303.2.3 扰流柱型流道333.2.4 折流型流道363.3 不同结构的单元流道综合性能判定393.4 本章小结434 并联型水冷散热器结构优化454.1 多孔介质模型求解方法454.2 模型可行性验证464.3 不同流道结构流量及温度均匀性分析484.3.1 平板型流道484.3.2 平直翅片型流道524.3.3 扰流柱型流道554.3.4 折流型流道574.4 散热器综合性能分析614.5 本章小结665 总结与展望675.1 总结675.2 展望68致 谢69参考文献711 绪 论1.1 课题背

19、景随着我国经济的不断发展，特别是高铁行业的飞速发展（截止到2015年，我国高铁运营里程已成功突破1.9万公里，稳居世界第一），各种电力电子设备在高铁上也得到了广泛的应用，而且集成化、小型化、高性能以及大功率已成为这些设备的发展方向。随之而来的结果就是，系统的热流密度剧增，从而导致散热问题日渐突出。多年以来，工业界一直在努力通过降低电子元件的工作温度和结合部位的温度，从而改善电子系统的可靠性。与此同时，还存在一个要求减小这些电子组件的尺寸并降低它们成本的强大压力。因为功率密度的增大像体积的减小一样迅速，这些发展也带来了一系列问题。相关研究表明，当电子元器件的温度达到一定值以后，其工作温度每提高1

20、，可靠性会下降5%1，使用寿命也会随之大幅度下降。美国曾经分析了电子设备全年的故障，结果发现超过50%的设备故障是由于各种各样的环境因素，而由于超温所导致的故障更是高达55%2，如图1.1所示。 图1.1 电子设备故障影响因素Fig.1.1 The failure of influencing factors for electronic devices 随着电力电子技术的发展，大功率的IGBT模块则成为了高速动车组重要的组件，它是传输与能量转换的核心器件。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），即绝缘栅双极型晶体管，是一种增强型场控（电压）复合器件。它

21、的优点很多，包括耐高压、载流密度大、开关速度快、功率MOSFET驱动功率小、输入热阻高、热稳定性好等3。电力机车一般需要500个IGBT模块，动车组需要超过100个IGBT模块，一节地铁需要50-80个IGBT模块。根据预测，我国高速动车每年对IGBT的市场需求达3亿元4。与其他功率器件相比，IGBT元件具有高度的可靠性、易操作性，以及对高压、高流的阻抗性的特点。当IGBT元件工作时，会生成大量的热量，其热流密度很大，超过10 W/cm25。随着温度的升高，设备的故障率会相应提高，可靠率也会随之下降。如果不采取有效的方法驱散这些热量，则IGBT设备的内部芯片温度会超过连接点所允许的最高温度，设

22、备的可靠运行将会受到影响，严重时甚至会烧坏设备，从而损坏其性能，电力机车的安全操作也不能够得到保证。所以需要通过改善冷却技术来降低元件的温度，以提高这些设备的可靠性。因此，如何利用有限的空间散发出大量的热量，并且把设备的温度控制在一定的合理范围内，从而让其稳定且可靠的运行，是这些年来人们着重研究的一个课题。特别是针对大功率的IGBT组件，对其散热技术提出了更高的要求。1.2 电力电子设备主要散热方法对电力电子设备选择不同的散热方将直接影响它的组装设计、可靠性、质量和成本等。电力电子设备的冷却问题多年以来都受到人们的重视，其主要涉及到工程热力学、传热学以及流体力学等相关学科。目前电力电子设备的散

23、热方法主要有以下几种： 强制风冷很多设备的散热采用强制风冷的形式，因为相较于自然冷却，强制空气冷却的散热量最大能提高10倍6。强制风冷技术与自然冷却技术相比较而言，它的设备冷却系统的体积相对较小，从而致使其具有更高的热点温度和元件密度，而且设备简单、成本低。因此，强制风冷散热在电力电子元器件的散热问题上获得了迅速的发展，特别适合对要求不十分严格的设备。但是由于空气的比热比较小，这种方法的冷却能力通常小于1.0 W/cm2，如果想得到足够大的换热能力，必须提高风速，随之而来的问题是噪音的增大。图1.2是强制风冷换热原理图。 图1.2 强制风冷换热原理图Fig.1.2 The schematic

24、diagram of the forced-air cooling 液体冷却液体冷却是指通过液体将元器件的热量带走，它又分相变冷却和无相变的单相散热。单相散热就是利用强制对流将热量带走，这种冷却方式的介质以水居多。相变冷却是指制冷时通过相变吸热将热量带走，使用这种相变冷却的方法能够有效地控制电力电子设备的温度，相变冷却的冷却能力最高可达2 kW/cm27。因此，相变冷却比较适合高热流密度且发热功率不断变化的情况。 热电制冷热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（即Peltier效应）的一种制冷方法。热电制冷是一种产生负热阻的制冷技术。当直流电通过不同半导体材料串联成的电偶时，

25、在电偶两端即可分别吸收热量和放出热量，达到制冷目的8。热电制冷与其他散热方式相比有很多优点：不需要外界动力、无噪声、运行可靠；冷却速度快、操作简便等9, 10；缺点是效率低、质量大等。图1.3所示为一热电制冷器的示意图。 图1.3 热电制冷器示意图Fig.1.3 The schematic diagram of the thermoelectric refrigerator 热管技术热管一般由蒸发段、绝热段和凝结段这三个部分组成。热管散热就是液体工质在蒸发段被热流加热蒸发，其蒸汽经过绝热段流向冷凝段。在冷凝段蒸汽被管外冷流体冷却放出潜热，凝结为液体；积聚在散热段中的凝结液借助吸液芯的毛吸力的作

26、用，返回到加热段再吸热蒸发，如此循环反复。这种热量从热管一端传递到另外一端的过程是非常迅速的，因此可以很快地将热量传递出去11, 12。热管是一种传热效率很高的传热器件，其传热性能比相同的金属导热能力高几十倍，且热管两端的温差很小。热管散热器对各种电力电子装置或设备具有非常强的适应力，并且尺寸设计和结构形状具有比较高的灵活性，使得它相较于传统散热器具有很大优势13。其缺点是对制作工艺，材料以及管内的清洁度等有非常高的要求，且成本高14。热管的基本工作原理如图1.4所示。图1.4 热管的基本工作原理Fig.1.4 The schematic diagram of heat pipe 微通道散热微

27、通道散热技术首先由美国的Tuekerman等提出15，通过使用蚀刻、光刻以及精确切削等方法，将很薄的硅片或其他合适的基片加工成横截面积只有几十至上百微米的通道，介质通过这些微通道与换热器基体发生热交换，并通过它们与其它的介质进行换热16，如图1.5所示。微通道的制作材料有硅、铝、铜及其合金等，冷却介质除了水以外还有氟利昂、硅油、乙醇、液氮等液体17。微通道散热器工作时，冷却液体在其狭小的空间内会被迅速加热到核态沸腾的状态，这个时候液体的换热能力是很强的，因此散热器壁面的过热度相比一般结构的散热器要小很多。微通道散热器具有更高的传热系数，可以比较好的解决因温度过高致使电力电子元器件失效的问题。图

28、1.5 微通道散热的基本结构Fig.1.5 The basic structure of micro-channel cooling1.3 动力机车水冷散热系统介绍目前大部分电力电子设备的散热采用水冷和风冷的形式，尤其在电力机车牵引变流装置中，针对于大功率的IGBT，为满足系统散热的要求，较多地采用水冷散热器。对于IGBT的高效散热问题，水冷散热已被证明是相当有效的一种散热方式，国内外学者已经在水冷散热器的形式、流道结构和微通道等方面开展了广泛且深入的研究18-23。水冷散热系统通常分为两种形式：一种是开式水冷系统，即冷却流体经过热源表面以后不被回收，直接被排到至周围的环境中。但这种散热方式有

29、明显的缺点，流体被排到周围环境中不仅会造成大量的浪费而且还会污染环境，特别是一些冷却液中还会加入一定的化学添加剂。所以，在当今的工业环境中开式水冷系统己经越来越少见了。与之相对应的另外一种形式是闭式循环水冷散热系统，即冷却流体会在整个密闭环路中不断的循环再利用，而不会被直接排到周围环境中形成污染。因此，目前闭式循环水冷散热系统是当今工业环境中的主要形式，它不会产生诸如堵塞、污染以及腐烛管道等缺点，并且不会像开式水冷系统那样受到环境温度的影响。闭式系统的冷却水一直处在一个循环密闭的状态，可以维持一个更好的绝缘，所以十分适合冷却电力电子设备。一个完整的闭式循环水冷系统通常由散热器、冷却液、泵、管道

30、和水箱等几个部分组成。其原理十分简单：就是在一个密闭的液体循环装置中，冷却液利用循环泵提供的压力在密闭装置中循环流动，在此期间电子设备运行时发出的热量被传递到散热器中，最终通过冷却液和散热器壁面间的对流换热过程及时把热量带走，随后液体会回到吸热装置，整个散热过程就是这些步骤的不断循环。因此，闭式循环水冷散热系统在激光、军工、医疗、电力电子、工业设备等行业中有着广泛的应用。它的系统结构如图1.6所示： 图1.6 闭式循环水冷散热系统图Fig.1.6 The system drawing of the closed circulating water cooling system 当然，闭式循环水

31、冷散热技术如此普及也是由于其安全性和稳定性有了很大的进步。在水冷散热系统中，最重要的当属散热器部分，可以说散热器的性能基本上决定整个系统的散热效果。对于闭式水冷散热器，影响散热器性能的主要因素有： 散热器的流道结构以及材料； 流体的流动状态以及物性； 散热器的工况； 电子设备的发热情况。因此要分析研究一个具体的散热问题时，不仅要合理设计散热器结构以获得合理的散热方式，还要在减小流体流动阻力的同时达到最佳的散热效果。这是一个综合性的问题。1.4 国内外研究现状1.4.1 国外现状E.Baker24的研究结果表明了提高流体速度和增加流动的紊乱程度可以增大Re，从而提高散热性能。要达到这种效果最好的

32、方法是直接增大流道入口处流体流动的紊乱程度25，但会造成较大压损。Kays26研究了紧凑式换热器的流体流动性与换热性，其结论适用于一般的平行板式结构。R.W.Knight27等人研究了两种矩形通道平行平板散热器模型，提出针对层流和湍流流态下，流体动力学和传热的无量纲控制方程，并用其来优化微通道散热器的几何结构。优化结果与之前研究相比，提高了10%35%的散热能力。他们推导出充分发展阶段层流和湍流状态下的对流换热系数的计算方法和充分发展阶段层流状态和多个雷诺数段的湍流状态的对流换热系数的计算方法。Perret28基于理论模型优化散热器的结构，并通过实验的方法来验证，其优化结果与实验数据一致，给出

33、了一种可以快速设计和优化水冷散热器的方法。Leon29等人研究了四种形状的翅片的传热及阻力特性。2004年，Leon30等人通过引入无量纲品质因数QF（即散热器肋片发热量与空气通过通道消耗的功率之比），利用数值模拟及实验验证研究了顺排翅片，交错翅片以及入口端为圆角的交错翅片的传热及阻力性能，对比了三者的性能发现，交错翅片的传热性能明显优于平行顺排，但其阻力较大。通过对交错翅片入口段圆角化处理之后，发现其传热性能较好，阻力明显低于普通的交错翅片，性能较优。Biswal31等人基于理论模型研究了矩形通道散热器模型在层流状态下，正在发展段和完全发展段的传热特性。并且分析了通道纵横比、散热器基板厚度、

34、冷却剂的流量、通道数量、散热器材料等对热阻的影响。最后对比了实验采集的数据与理论分析的数据，二者结果基本一致。Wu32建立了一个可以在层流、过渡态和湍流三种状态下，预测其散热性能和水力特性的渐进模型，这个模型具有较高的准确性并且可以在固定压力损失的情况下优化散热器的结构参数。Dong-Kwon Kim33在对新型的翅片结构为Y型的散热器进行了理论分析，发现与普通形状的肋片相比，在增大同等泵耗功率的情况下，Y型翅片散热器的热阻降低的幅度更大。Bar-Cohen34对自然对流中肋片的厚度进行优化。Sparrow35, 36、Kadle37和Knight38, 39等人对强迫风冷中散热器的换热特性及

35、结构优化进行了研究，提出了针对层流和湍流流态下，流体动力学和传热的无量纲控制方程，并用其来优化微通道散热器的几何结构。1.4.2 国内现状国内对于这方面的研究虽然起步较晚，但是在总结前人经验的前提下，通过努力研究，也取得很多成果。杨传超40等人对串、并联结构的优缺点进行了分析，定义了一种伪串、并联流道方式，即把串联和并联两种方式相结合。结果表明：相较于串联和伪串联流道，并联和伪并联流道散热效果更好，在散热效果相差不大于1时，串联流道结构与伪串联流道结构消耗的功率比并联流道结构和伪并联流道结构的大1个至2个数量级。丁杰，唐玉兔41等人所研究的水冷散热器采用并联型和串联型相结合的方式，采用泄压槽的

36、方式对流量进行分配，通过分析有、无泄压槽对各个支路流量分配的情况，发现泄压槽方式可以有效调节各个支路的压力和流量，使得每个支路的流量基本上相等。李学康42对串联通道的水冷散热器进行了研究，提出了热阻网络的方法对串联通道散热器进行理论建模。以通道数将散热器划分为许多个单元，对每个单元进行细致的散热分析，建立起单个单元的热阻网络。结果表明，雷诺数的不同会使散热能力和压力降都发生很大的差别，而通道高宽比以及翅片厚度对于散热和压力损失也有一定的影响。压力分布在串联通道的直管中基本上成线性分布，而经过弯管则会发生一个跳空。若要降低串联通道散热器的总热阻，可以通过增加通道数、增加通道宽度、增加通道高度以及

37、提高水流速度等方法。王立43通过计算局部努塞尔数来比较串联、并联和一种改进的串联结构的换热性能。在流体流速相同的情况下，串联结构的努塞尔数最大，改进的串联结构的最小，不过串联结构的散热面积最小，串并联结构的散热面积最大，在理论计算中，串并联结构的散热效果最好。在流体流速相同的情况下，改进的串联结构造成的压力损失最大，比其它两种结构大了一个数量级，串联结构与串并联结构压力损失差别不大。缪斌44通过数值模拟的方法计算了并联管路的流量分配，在相同的入口流速和并联管组结构条件下，径向入口方式有利于提高并联管组的流量分配均匀性；流体在并联管组中分配的均匀性随着入口流速的增加而降低；随着集箱直径的增大、支

38、管直径的减小、支管长度的增大和支管间距的增大，流量分配的均匀性均增加。朱云琴45归纳总结了研究并联管路流量分配的理论基础及计算方法，得出集箱中的摩擦系数和动量交换系数等参数会影响并联管路流量分配。动量交换系数与管支间距、孔径比和流体物性等有关。并联管组的摩擦系数与流体流动状态和管路结构（管间距支、孔径比等)有关。王宏光，戴朝46等人以不可压流体的质量守恒方程和动量守恒方程为基础，对并联管路中流体流动进行了计算，将支管分流流体的流速作为未知量，建立推进算法的基本方程，从而提出并联管路中流体流动的水动力推进算法。计算结果表明：新的算法简单可行，而且非常适用于工程实际，具有很高的工程应用价值韦晓丽4

39、7等人对并联流道的两种组合方式（Z型和U型）的流动特性进行实验研究。在研究中，由于并联流道的“最短效应”，使得各个分流道的流体流速分布极不均匀，他们提出了在实际应用中，可通过对阻力的设计来改变远离入口段流道的流速，如加装节流管段或者节流管圈，使其各个流道的阻力系数相等，那么就可获得相同的流速。揭贵生、孙驰48等人在散热器外形和流量一定的情况下，从理论上对层流状态下的流道进行研究，得到了几点结论：1.在流道宽度一定的条件下尽量增加流道数，从而达到增加换热面积的效果。2.在给定的散热器长宽尺寸及流量条件下，水力直径和流道数对散热效果的影响比较明显，在适当的情况下增大水力直径是有利的，这样不仅可以提

40、高换热性能，同时也减小了流体流动的所引起的压力损失。1.5 研究内容目前很多动力机车上IGBT所使用的水冷散热器都以串联流道为主，其存在的问题主要是冷却水在流动的过程中，它的温度会不断升高，若串联流道过长，例如在一些设计中为了增大传热面积采用S形的串联流道，会致使在流道末端的水温过高，甚至会超过电子设备所允许工作的最高温度，从而导致设备的失效，甚至烧坏设备。而且串联流道散热面的温度分布会很不均匀，流道入口段散热面温度较低，但在出口段温度会相对较高。因此，本文将设计一种并联流道结构的水冷散热器来解决上述的问题，使散热器表面的温度分布相对均匀。具体的研究内容如下： 建立并联型水冷散热器的物理数学模

41、型，利用Gambit对模型进行网格划分，并进行网格无关性验证。然后通过Fluent对模型进行数值模拟计算，得到衡量散热器性能的各个相关参数，提出了衡量温度分布均匀性的方法，并比较了不同的进口冷却水流量对散热器性能的影响。 由于水冷散热器的完整模型结构复杂且网格数量巨大，为了减少计算量和缩短计算时间，提出一种有效的简化模型，并对模型的可行性进行了验证。 最后对并联型水冷散热器的模型进行优化，设计了四种不同的流道结构，并通过散热器的综合性能评价因子对优化模型的性能进行综合判定，然后分析比较了不同的流道结构对散热器温度和流量分布均匀性的影响。1.6 研究意义本文运用数值模拟的方法对并联型水冷散热器的

42、综合性能进行了研究，分析了进口冷却水流量对散热效果及温度分布均匀性的影响。设计了四种不同的流道结构，并分析了每种结构对散热性能和温度分布均匀性的影响，提出了一种适用于并联型水冷散热器的简化模型，可以对今后的并联型散热器的设计和研究提供一定的参考。2 并联型水冷散热器性能数值模拟以前的水冷散热器大多采用串联流道结构，但这种结构存在一个很大的问题，沿着流动的方向，冷却水的温度会不断升高，若流道过长，水温甚至会超过器件的最高结温，从而影响其工作，而且温度分布会很不均匀，温度在流入段很低而在流出段却很高。因此，本文所研究的水冷散热器将采用并联流道结构来解决上述的问题。本章将介绍这种散热器的物理数学模型

43、，数值模拟的基本参数设置以及计算的结果，并通过流场、温度场、温度分布均匀性等角度来综合分析并联型水冷散热器的性能。2.1 物理模型本文所采用的水冷散热器为并联流道结构，其结构如图2.1所示，主要由三部分组成： 最上面是扩散板，与IGBT模块相连接，起导热作用。扩散板厚度、长度和宽度分别为2.5 mm，232.1 mm，41.5 mm。 中间是水冷散热器流道，由24个并联流道所组成，流道从右到左依次编号为1至24，其与扩散板无缝连接。每个流道的入口和出口分别与集水箱A和集水箱B连接，流道横截面为矩形，并联流道的截面如图2.2所示，每个流道的厚度、长度和宽度分别为2.5 mm，41.5 mm，9

44、mm，每个流道的间隔为0.7 mm，流道入口和出口的长宽高分别为9 mm，3.9 mm，1.5 mm。 最下面是集水箱A和集水箱B，其长度、宽度和高度分别为232.1 mm，19.25 mm，26 mm。入口和出口通道的半径为9.25 mm，长度为24.25 mm。冷却水由入口通道进入集水箱A，再流入散热器各流道，然后进入集水箱B，最后从出口通道流出，集水箱A和集水箱B呈轴对称分布。并联型水冷散热器各部分规格如表2.1所示：表2.1 散热器各部分规格表Table.2.1 The specification of the radiators every module名称尺寸单位扩散板232.1&

45、#215;41.5×2.5mm单元流道（共24）41.5×9×2.5mm流道出入口9×3.9×1.5mm集水箱A/B232.1×19.25×26mm集水箱出入水口18.5×24.25mm 图2.1 水冷散热器结构图Fig.2.1 The structural diagram of the water-cooling radiator图2.2 水冷散热器流道截面图及各流道编号Fig.2.2 The cross section of flow channels of the water-cooling radiator

46、 and the serial number of every channel 散热器的每个并联流道是平板型结构，可以在其中安装翅片、扰流柱或者折流板以提高冷却水流速以及增加扰动。整个冷却过程为：IGBT的热量由顶部进入扩散板，再由扩散板传递到散热器的各个流道内，最后由集水箱流入的冷却水通过对流换热将热量带走。本文的研究重点就是并联型水冷散热器的综合散热性能及温度在扩散板上的分布均匀性。2.2 数学模型数学模型的建立对水冷散热器性能的研究非常重要，它主要是涉及传热学和计算流体力学的相关知识。本文中所用到的数学模型主要包括三大控制方程（质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程）以及湍流模型。2.

47、2.1 控制方程 质量守恒方程49（mass conservation equation）质量守恒方程又称为连续性方程（continuity equation）。本文所研究的水冷散热器，其中的流动是定常流动，且流体是不可压缩流体，因此其表达式为： （2.1）u，v，w分别为流速在x，y，z方向上的分量，单位为m/s。 动量守恒方程49（momentum conservation equation）对于不可压缩流体的定常流动，且粘性为常数，动量方程的表达式为： （2.2） （2.3） （2.4）其中U是速度的矢量形式；为流体的运动粘度，单位为m2/s；p是压强，单位为Pa；是流体密度，单位为kg

48、/m3；式（2.2）（2.3）又称为Navier-Stokes方程。 能量守恒方程49（energy conservation equation）不可压缩流体稳态时的能量守恒方程为： （2.5）式中，T是温度，单位为K；cp是流体比热容，单位为J/(kg·K)；是流体的导热系数，单位为W/(m·K)；ST是粘性耗散项，单位为J。2.2.2 湍流模型本文所研究的水冷散热器，冷却水在流场中的流动为湍流，所以进行数值模拟计算时选用湍流模型。常用的湍流模型有零方程模型、一方程模型、标准k双方程模型、RNG k模型50-52。为了使k模型更准确，Yakhot和Orzag提出了RNG

49、k模型53，它的k，方程在形式上与标准k模型一模一样，但是以更为准确的统计模型推导雷诺平均方程。相较于标准k模型，RNG k模型修正了湍流黏度，考虑了旋流流动和旋转在流动中的影响。对于不可压缩流体，且忽略用户自定义源项时，RNG k模型的k和的运输方程分别为： （2.6） （2.7）式中，k是湍动能，单位为J；是湍流耗散率；k和分别是k和对应的Prandtl数；C1、C2、C是经验常数；Gk是平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，t是一个假设的湍流黏度，它们的表达式分别为： （2.8） （2.9）模型常数C1、C2、C、k、的取值如表2.2所示54： 表2.2 RNG k模型常数取值Table.

50、2.2 The constant value of RNG k model模型常数C1C2Ck取值1.441.680.0850.71790.71792.3物性及边界条件散热器扩散板的材料一般会采用金属，因为金属材料通常具有比较高的导热系数，将对热量的传递更加有利，在工程上常采用的金属材料有纯银、纯铜、铝合金等。综合考虑到成本和散热效果，本文采用纯铜作为扩散板的材质。由文献55查得铜的物性参数如表2.3所示： 表2.3 铜的物性参数Table.2.3 The physical parameter of copper密度（kg/m3）比热cp（J/(kg·K)）导热系数（W/(m

51、3;K)）8978381380本文采用的冷却介质为工业用蒸馏水，由于所研究的是动力机车上的水冷散热器，考虑到工程实际需要和某些极限情况，入口水温定为313 K，由文献55得313 K水的物性参数如表2.4所示： 表2.4 313K水的物性参数Table.2.4 The physical parameter of 313K water密度（kg/m3）比热cp（J/(kg·K)）导热系数（W/(m·K)）运动粘度（kg/(m·s)）992.241740.6350.0006533 冷却水的设计进口体积流量Qv为8 L/min，所以总的质量流量Qm为0.1323 kg/

52、s。IGBT总的发热功率P为2000 W，扩散板的导热面积为A为9632.15 mm2，所以热流密度q为： （2.10）本文将利用Fluent软件对水冷散热器进行数值模拟，为了更好的分析散热器的温度分布情况以及散热器流道内的流场分布，将做如下假设： 忽略扩散板与水冷散热器流道之间的接触热阻。 相较于强制水冷换热，空气自然对流的换热系数很小，对于整体的散热性能影响也很小，因此认为水冷散热器是处于绝热的环境中56。 由文献57得知，对于水冷散热器，辐射换热对结果的影响也比较小，因此忽略辐射换热。 散热器流道内的流速远小于音速，因此认为流体为不可压缩流体58，且物性参数不变。 扩散板的厚度相较于其长

53、度和宽度而言非常小，因此热量只沿着其厚度方向进行传递，且热流量在扩散板上是均匀分布的。 传热与流动均是稳态，固体和流体的边界也是无滑移的。 对于出口边界条件来说一般是很难预测的，除非通过相关实验进行测定，所以一般采用压力出口（pressure-outlet）59； 一般来说，数值计算的流场压力是相对压力，以标准大气压作为基准，特别是当压力在整个计算域内变化相对较小的情况下，这样可以加速计算的收敛，所以本文采用一个标准大气压且忽略重力影响。2.4数值模拟计算2.4.1 建模及网格划分数值模拟计算的基础以及核心部分就是网格的划分，在进行计算之前必须划分网格。网格质量的好坏将会对结果起决定性的作用，

54、若网格过于粗糙，结果的误差将会很大；但若网格太精密了，则会耗费大量的时间和计算成本。利用Fluent的前处理软件Gambit建立物理模型并进行相应的网格划分。本文所研究的水冷散热器主要由三个部分组成，其中对散热起关键作用的是中间的冷却水流道。因此，对散热器采用分块划分网格的方法，首先对中间的流道部分进行网格划分，采用相对精密的网格，使其有比较小的单元尺寸；然后再对扩散板和集水箱进行网格划分，且采用相对宽松的网格，这样不仅能保证计算的准确度也能兼顾计算量。而且，在下文中对单元流道进行网格划分也采用这种分块网格划分方法。2.4.2 网格无关性分析在对实际问题进行数值计算时，应该要在足够精密的网格下

55、得到相应的数值解，从而使得进一步加密网格已经对数值计算的结果没有影响，这种方法称为网格无关性验证49。网格无关性验证是进行数值模拟计算的基本要求。但是，如果网格太密将会使计算量大大增加，增加时间成本和计算机的硬件成本，同时误差也会相应的增加，因此要选取适当的网格使得计算精度达到要求且不会有太大的计算量。若对整个模型进行网格无关性验证，计算量和计算时间都十分巨大，且意义不大。而且，对于本课题所研究的水冷散热器来说，对散热性能起主要作用的是中间的冷却水流道，并且由于采用的是并联型流道，每个流道的结构是一样的，且假设每个流道单元之间传热是相互独立的，故对单元流道的模型进行网格无关性验证，这样不仅可以

56、大大减少计算时间，也可以将结果应用到整个散热器模型上。对单元流道进行数值模拟计算，分别取网格数为35964，76386，123900，161776，193726，236354，290044，在7种不同的网格数量下，散热器扩散板表面的最高温度Tmax、平均温度Tavg、散热器流阻p以及各自的偏差如表2.5所示。从表中可以看出，刚开始随着网格的加密，扩散板的最高温度、平均温度以及流道流阻的变化都很大，最高温度和平均温度的偏差超过了2%，而流阻的偏差更是达到了近9%；但当网格数量达到20万以后，随着网格的加密，最高温度、平均温度以及流阻的变化已经很小了，它们的偏差均已小于1%。因此，根据计算量和计算精度的综合考虑，选取网格数为193726。在后续的工作中，增加的优化模型由于其总体尺寸没有变化，网格