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液冷板性能多參數(shù)優(yōu)化和性能分析
摘 要：為了提高液冷板的綜合性能，對影響其散熱效果及流阻的重要因素――冷板厚度、流道的寬度及并行流道的數(shù)目進(jìn)行了多參數(shù)數(shù)值優(yōu)化，并對優(yōu)化前后冷板的流動特性及熱特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：冷板厚度為9 mm， 寬度為5.4 mm，并行流道數(shù)目為12時(shí)，冷板的性能最好，與優(yōu)化前相比，冷板表面的最高溫度T和流阻P分別降低了1.9 %和13.8；流道的寬度對冷板性能影響最為顯著，并行流道數(shù)目對冷板性能影響最小。本文旨在為液冷板后續(xù)優(yōu)化研究提供指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：液冷板；流道參數(shù)；數(shù)值優(yōu)化；性能分析
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.122
隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子元件日趨向微小型化發(fā)展，集成度不斷提高，使得其熱流密度迅速增加，傳統(tǒng)的風(fēng)冷已無法滿足散熱需求。與風(fēng)冷散熱相比，水冷散熱換熱效率較好、均熱性強(qiáng)、成本低、可靠性高，成為目前應(yīng)用較為廣泛的電子設(shè)備散熱方式之一。但是由于電子元件發(fā)熱功率的不斷提高，如何實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的高效散熱，保證電子元件可靠性是目前的研究熱點(diǎn)之一，因此提高液冷板的熱效率，改善其流動特性顯得尤為重要[1-5]。
液冷板的優(yōu)化研究目前集中在流道結(jié)構(gòu)獨(dú)立參數(shù)對冷板散熱性能或流阻特性的影響上，而對流道結(jié)構(gòu)多參數(shù)對液冷板綜合性能的影響研究較少。由于實(shí)驗(yàn)研究電子設(shè)備散熱系統(tǒng)的散熱效果周期長且耗資巨大，因此，本文以提高液冷板的綜合性能為目標(biāo)，采用數(shù)值方法，基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和多目標(biāo)遺傳算法對液冷板流道結(jié)構(gòu)多參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解及分析，為今后液冷板性能的研究提供指導(dǎo)。
1 研究對象
本文以1臺內(nèi)部流道為并聯(lián)形式的液冷板為計(jì)算模型，其主要參數(shù)為：流量Q=40 mL/s，液冷板的長度a=200 mm，b=200 mm，厚度h=6.5 mm，流倒寬度d=6 mm，并行流道數(shù)目n=15，冷卻工質(zhì)為水。液冷板三維模型如圖1所示。
2 研究方法
2.1 優(yōu)化變量
綜合考慮到冷板的實(shí)際使用要求及成本，保持原冷板長寬不變，流量不變，因此選取冷板流道的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)作為優(yōu)化變量，分別為：冷板厚度h，流道寬度d，并行流道數(shù)目n，其中冷板兩側(cè)到流道上下底面的距離均為1.5 mm。
2.2 優(yōu)化方法
冷板流道的多參數(shù)優(yōu)化以相同工況下冷板表面最高溫度最低和冷板進(jìn)出口壓差即流阻最小為目標(biāo)函數(shù)，基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造冷板的性能預(yù)測模型，通過BBD中心組合試驗(yàn)和CFD數(shù)值計(jì)算獲得一系列樣本點(diǎn)，并對構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進(jìn)行訓(xùn)練，然后采用NSGA-II多目標(biāo)遺傳算法求得一組最優(yōu)解，具體優(yōu)化步驟如下：
a.確定所研究的優(yōu)化變量；
b.對原模型進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算，獲得原模型性能參數(shù)；
c.基于原模型流道參數(shù)初始值，確定優(yōu)化變量取值，建立BBD中心組合試驗(yàn)表，按試驗(yàn)表進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到溫度、流阻值；
d.將每組試驗(yàn)作為一個(gè)樣本點(diǎn)，訓(xùn)練RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，并確定模型準(zhǔn)確性；
e.基于NSGA-II多目標(biāo)進(jìn)化遺傳算法，求得性能最優(yōu)的一組參數(shù)值，并計(jì)算驗(yàn)證。
3 數(shù)值計(jì)算方法
計(jì)算域包括冷板、水體、進(jìn)口延長段和出口延長段共4部分。系統(tǒng)計(jì)算域模型如圖2所示。所有流場均設(shè)為靜止坐標(biāo)系。
利用CFX15.0對冷板進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算，湍流模型采用k-ε湍流模型。計(jì)算域進(jìn)口邊界條件設(shè)為速度進(jìn)口，為2 m/s，出口邊界條件為壓力出口，靜壓為0 Pa；工質(zhì)為水，進(jìn)口水溫303.15 K；對冷板上底面進(jìn)行持續(xù)加熱，熱流密度為3000 W/m2；冷板外壁面及進(jìn)出口延長段壁面均設(shè)為絕熱；使用PRESTO格式離散壓力項(xiàng)，二階迎風(fēng)格式離散對流項(xiàng)，其余采用二階中心差分格式；均采用無滑移壁面，粗糙度設(shè)為0.05 mm；網(wǎng)格關(guān)聯(lián)采用GGI方式。
采用ICEM CFD對上述各部件進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對固液交界面進(jìn)行了網(wǎng)格加密，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.2以上。為進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，對原模型共劃分5套不同網(wǎng)格數(shù)的網(wǎng)格，均采用CFX進(jìn)行前處理，并保證邊界條件、湍流模型等設(shè)置一致，以冷板表面的最高溫度為評判標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果列于表1。從表1可看出，隨網(wǎng)格數(shù)的增加，冷板表面的最高溫度的誤差在2%以內(nèi)。綜合計(jì)算經(jīng)濟(jì)性等各方面因素，后續(xù)研究均采用方案4的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
流道內(nèi)流體與冷板的換熱過程屬于強(qiáng)對流換熱，根據(jù)牛頓冷卻定律，對流換熱的換熱量Q公式如下：
?。?） 式中：hi為對流換熱系數(shù)；Ai為固體壁面對流換熱表面積；Twi和Tfi分別為固體壁面溫度和流體溫度。對原模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)冷板的最高溫度為313.21 K，流阻為5.83 kPa。
由式（1）可看出，對流換熱面積直接影響冷板的散熱效果 |
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