基于沸腾程度的液冷流道沸腾散热系统性能评估方法

摘要

本发明公开了一种基于沸腾程度的液冷流道沸腾散热系统性能评估方法，用于指导液冷流道沸腾散热系统的设计。先拟定液冷流道沸腾散热系统设计方案，利用fluent软件建立有限元仿真模型，获取液冷流道内传热介质气态、液态体积分数数据，计算出沸腾程度评估函数B

说明书

技术领域

本发明涉及沸腾传热领域，具体涉及一种基于沸腾程度的液冷流道沸腾散热系统性能评估方法。

背景技术

随着科学技术的进步和生产需要，电子设备朝着微型化和集中化方向发展，物理尺寸的减小与元件功率的增加使电子设备的热流密度日益增高。针对未来电子设备微型化、功率高的特点，迫切需要一种适应电子设备发展趋势的热管理系统。液冷流道沸腾散热系统利用了工质的潜热进行换热，具有均温性好，设备质量小，稳定性好等优点，是未来高热流密度电子设备的优选散热方案。由于沸腾散热的机理比较复杂，传热效果受到沸腾流型影响，沸腾时的液体流型是反应沸腾程度的重要参数，同时流型又受到流道的结构参数影响，在进行液冷流道沸腾散热系统设计时，传热性能难以评估。散热系统的传热性能可以通过实验得到，但沸腾流型无法观测，同时多次实验浪费时间和金钱，为解决以上问题，提出了一种基于沸腾程度的液冷流道沸腾散热系统性能评估方法，定义了沸腾程度评估函数B

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的旨在提供一种基于沸腾程度的液冷流道沸腾散热系统性能评估方法，实现设计液冷流道沸腾散热系统的性能评估。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：基于沸腾程度的液冷流道沸腾散热系统性能评估方法，包括以下步骤：

（1）初步拟定液冷流道沸腾散热系统设计方案；

（2）对给定的散热系统设计方案，利用fluent软件建立有限元仿真模型；

（3）利用有限元仿真模型进行计算，得到不同载荷下，液冷流道中的流体液、汽态分布数据；

（4）使用上述数据，计算出沸腾程度评估函数B

（5）根据沸腾程度评估函数，区分各流道中的沸腾流型，评估散热系统的性能；

（6）重复步骤（2）至（5）进行多次数值模拟，每次数值模拟时，修正散热系统设计方案，并改变步骤（2）中的有限元仿真模型，记录当前设计方案的散热系统性能数据；

（7）通过多次对比，得到散热系统最佳性能时的液冷流道沸腾散热系统设计方案。

进一步的，所述步骤（1）的具体步骤为：

初步拟定液冷流道沸腾散热系统设计方案，包括散热系统尺寸，热源类型、位置、尺寸，内部液冷流道形状、尺寸，传热介质物性参数与流速。

进一步的，所述步骤（2）的具体步骤为：

根据步骤（1）中的设计方案，通过ANSYS的SCDM模块建立有限元仿真所需的几何模型，划分好流体域和固体域，确定好边界条件命名；将几何模型导入网格划分软件中进行网格划分前处理；将网格文件导入Fluent中，进行多项流动，物质转换，流体运动粘度方程、模型能量方程的设定与选择，定义材料参数、求解器、求解相关参数的输入与设置，设定合理的监控时间点。

进一步的，所述步骤（3）的具体步骤为：

根据散热系统的设计载荷，设定模型计算的边界条件与初始条件并开始计算，将计算得到的结果导入CFD-POST模块中进行后处理，获取液冷流道中的沸腾程度数据，即散热系统稳定状态时，液冷流道中传热介质气态、液态体积分数数据。

进一步的，所述步骤（4）的具体步骤为：

使用步骤（3）中获得的液冷流道中传热介质气态、液态体积分数数据计算出沸腾程度评估函数，B

进一步的，所述步骤（5）的具体步骤为：

通过沸腾程度评估函数，识别各流道中的具体沸腾流型（核沸腾，气泡沸腾，对流沸腾，烧干-沸腾临界），若液冷流道中的沸腾流型为对流沸腾，则即将达到散热系统极限性能，记录额定载荷与极限载荷下散热系统稳定状态时的平均、最高、最低温度，液冷流道中的沸腾流型与沸腾程度评估函数B

进一步的，所述步骤（6）的具体步骤为：

重复步骤（2）至（5）的过程，进行多次数值模拟计算时，散热系统设计方案主要是修正散热系统尺寸，热源类型、位置、尺寸，内部液冷流道形状、尺寸，传热介质物性参数与流速；记录的散热系统性能数据为额定载荷与极限载荷下，散热系统稳定状态时的平均、最高、最低温度，沸腾流型与沸腾程度评估函数B

接着，所述步骤（7）为：

通过步骤（6）的多次对比数据，得到散热系统最佳性能时的液冷流道沸腾散热系统设计方案。

本发明基于沸腾程度的液冷流道沸腾散热系统性能评估方法，定义了沸腾程度评估函数B

附图说明

图1是本次发明的多种沸腾流型示意图。

图2是本次发明的液冷流道沸腾散热系统示意图。

图3是本次发明的实施例温度分布图。

图4是本次发明的实施例多相流体积分数分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进一步详细说明。此处说明若涉及到具体实例时仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本实施例中的一种基于沸腾程度的液冷流道沸腾散热系统性能评估方法，实施流程如下，图1是本次发明的多种沸腾流型示意图，气泡在管路中占的体积越大，沸腾程度越剧烈，由低到高为：核沸腾，气泡沸腾，对流沸腾，烧干-沸腾临界。

1）初步拟定液冷流道沸腾散热系统设计方案，包括散热系统尺寸，热源类型、位置、尺寸，内部液冷流道形状、尺寸，传热介质物性参数与流速。液冷流道沸腾散热系统如图2所示，包括热源，换热器，液冷流道，其中散热系统尺寸为25 x 25 x 3.5mm，热源位于正上方，15 x 15 x 1mm，流道为直通形结构，截面积2 x 1.5mm，使用的传热介质为去离子水。

2）通过ANSYS的SCDM模块建立仿真所需的几何模型，划分好流体域与固体域，确定好边界条件命名；（液冷流道入口、出口、热源）。

3）将几何模型导入Meshing模块中进行网格划分前处理， 采用扫掠网格，自动网格，四面体网格划分方法，网格尺度选择0.1-1mm，网格数目在40万左右，正交质量最小值大于0.18，平均横纵比为1.77，满足Fluent计算沸腾传热时收敛的网格质量要求。

4）将网格文件导入Fluent中，设置数学模型（多相流模型-Vof模型，两相分别为：汽、液态传热介质；设定传热介质物质转换温度点，k-ε湍流模型、能量模型）、物性参数（密度、黏度、比热容、导热系数，分子质量，标准态焓）设置边界条件（热源功率，入口流量，出口压力，液体与壁面摩擦系数），选择SIMPLE计算方法，调整亚松弛因子，设定模型计算初始条件，开始数值模拟计算。

5）将数值模拟计算得到的数据集导入CFD-POST模块中进行后处理得到散热系统稳定状态时的温度分布云图（如图3），温度梯度云图，最低、最高、平均温度，多相流体积分数分布图（如图4）等，将多相流体积分数分布图的数据导出可以得出每个网格中气体的体积分数vap。

6）根据上文的数据vap计算出沸腾程度评估函数，B

7）记录散热系统性能数据，即额定载荷与极限载荷下散热系统稳定状态时的平均、最高、最低温度，液冷流道中的沸腾流型与沸腾程度评估函数。

8）重复步骤1、2、3、4、5、6、7修改设计方案，对比模拟结果的散热系统性能数据，能直观的判断调整参数后的效果，由模拟结果的最优解直至得到液冷流道沸腾散热系统最佳设计方案。

本发明基于沸腾程度的液冷流道沸腾散热系统性能评估方法，定义了沸腾程度评估函数B

本实施例硬件配置基于双路Intel Xeon E5-2698R v4@2.20 GHz CPU、NVIDIAGTX 2080Ti 11 GB GPU和128GB内存，Windows server 2019 操作系统下。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。