格芯夹层结构散热性能的数值计算评估

摘要

为评估格芯夹层结构(如Kagome lattice,tetrahedral lattice和pyramidal lattice)的散热性能,并对比传统的平板肋片结构,本文实施了一系列的三维数值计算.此三维计算基于直角坐标系,采用交错网格而将速度定义在控制体积的表面上,应用voxel method来识别计算区域中的固体、流体和固流边界.利用SIMPLE方法计算和修正速度场和压力场,并应用温度界面连续边界条件处理固体和流体边界.计算中,将每组不同的格芯夹层结构放置在上下两个等温平板之间,左右两侧为无限长,因此选取对称边界条件.从入口处通入冷空气,入口速度变化范围为1m/s-12m/s,雷诺数变化范围500-3500,出口为自由边界条件.计算各组结构的局部努塞尔数,传热系数,局部摩擦系数以及泵功率.通过对比相同雷诺数下的传热系数和相同泵功率下的局部努塞尔数来评估各组结构的传热性能.结果显示,在相同雷诺数条件下,格芯夹层结构的传热系数均高于平板肋片的传热系数.随着雷诺数的增长,由于Tetrahedral lattice较好的利用流体产生了强烈的热弥散,使其传热系数较平板肋片结构提高到了2倍,然而压力差远远高于平板肋片,也高于其他格芯夹层结构,说明热弥散在增强传热性能的同时也增加了阻力.在相同泵功率条件下,平板肋片的传热系数较低,然而由于其所受形阻基本可以忽略,因此在较低泵功率范围内(＜1500W),平板肋片的局部努塞尔数最大.随着泵功率的增长,格芯夹层结构的努塞尔数具有明显的提高,然而kagome和Pyramidal的努塞尔数仍然低于平板肋片,当泵功率提高到3000W,Tetrahedral体现出了优势,努塞尔数的增长梯度高于平板肋片,说明格芯夹层结构具有较高的应用潜力,高传热性能而低摩擦阻力的格芯夹层结构完全有潜力代替传统的平板肋片结构应用于新型高效紧凑的散热系统.