水冷漫谈(三)——水冷散热器仿真方法

日期:2019-08-20

水冷散热器的精细化设计是需要借助仿真软件的。目前可以完成水冷仿真的商业软件有很多种,各有优势,在此不做对比。Jason用的是FloTHERM,但是主要的分析方法是一致的。

不同于风冷的系统,水冷整个系统比较庞大和复杂。工程中一般不会将散热器,换热器,泵阀等一起仿真,那样的计算量太大,一般会确定流量后,单独对水冷散热器做定流量的分析。

一、工质的设置

考虑到结冰的影响,一般常用的冷却介质会选择乙二醇溶液,西方一些国家基于环保的考虑,限制用乙二醇,则可能应用丙二醇溶液。不管乙二醇,还是丙二醇,加入纯水之中,都会影响工质的散热性能。

为软件设置工质时,需要考虑密度,比热,导热系数和粘度四个主要参数。因为电子散热场景下,水冷的温度范围比较窄,诸如膨胀率等,可以不予考虑。

输入物性参数看似简单,但如果工程师是个爱偷懒的人,比如Jason这样的,同时再有一点疏忽的话,可能会导致严重的失误:仿真时,我们经常需要生成一些新的材料,如果是稳态问题,我们设置固体材料时,常常只设定导热系数,密度、比热等参数往往因为偷懒而忽略,事实上,有些复合材料也很难得到这两个参数的精确值。因此,在惯性思维的引导下,有的朋友在稳态水冷的场景下,设置新的冷却介质时,会忽略掉比热,认为这个东东只有在瞬态问题中才有用。我们看一下对流换热系数的求解公式,貌似一眼过去也没有看到比热的影子:

 

   

事实上,比热隐藏在Pr数之中,我们没有直接定义Pr数,而是通过比热,导热系数和粘度间接定义的。

如果将比热默认为1,相当于将Pr数缩小了3个数量级,则对流换热系数相应的缩小一个数量级!有兴趣的朋友,可以对比试一下,看够不够酸爽,够不够惊喜。

另外一个需要注意的是,做风冷的仿真分析,我们大都适应了空气参数的皮实。一般按照软件默认的30℃时空气物性参数,也不会有太大的麻烦。但是水冷的仿真,需要注意是,乙二醇或丙二醇溶液的粘度随温度变化比较大,特别是浓度大的时候。比如浓度50%的乙二醇溶液(V:V),20℃时的粘度大约是45℃时的二倍,忽略温度影响,会导致流动阻力的巨大偏差。

FloTHERM中,可在项目库中的Fluid中右键选择Create Fluid,并在参数列表内输入对应数值。

Flotherm支持多流体仿真,可以在指定区域通过Region定义流体。

另外需要提醒的是,Region 的优先级相对较低,与固体重合的区域,默认是固体的材质属性,仅有未填充区域,才是Region设定的流体,所以如下图中的复杂流道,没有必要划分成很多个小Region分别定义流体,仅需一个Region将整个流道区域覆盖,定义流体即可。

二、源

前文说过,水冷是的仿真分析,一般不会做整个系统的仿真,通常水冷散热器是做定流量分析的。在FloTHERM里,大都用FixFlow作为流体的源,设置水冷板的流量。同时可以设定入口处的工质温度,甚至可以系统的环境温度不同。

需要提醒的是,FixFlow必须紧贴在求解域的边界,否则系统会报错。

三、收敛问题

最完美的收敛,是各条残差曲线都达到1,但是做气液共存的水冷仿真,这是很奢侈的事。

FloTHERM中,计算终止标准(残差到1的位置)分别是:

•质量平衡终止标准(压力场残差)=0.005 M (kg/s)

对于强迫对流: M 代表进口或出口处的总流量

对于自然对流: M =ρ.EFCV.A

其中ρ代表流体密度;EFCV: 预估自然对流速度,默认为0。2m/s;A代表水平面面积

•动量平衡终止标准(速度场残差) = 0。005 MV (N)

对于强迫对流: V 为风扇或FixFlow最大速度

对于自然对流: V为预估自然对流速度

•能量平衡终止标准(温度场残差)= 0。005 Q (W)

如果在系统中有热源或热沉,则Q为热源或热沉总功率

如果系统中无热源或热沉,则Q = M Cp ΔT, ΔT = 20 °C

这些参数设置满足大多数系统的要求,并且是相当保守的收敛标准。含有气液两种流体的仿真时,会发生收敛问题,因为系统默认是以空气作为流体特性参数而设置。以压力场残差为例,由于水的密度接近于空气的1000倍,利用空气的总流量的0.5%作为判据,这个标准是非常严苛的,因此,水与空气两种介质共存的仿真场景,残差会比较高。

为了收敛曲线看上去比较好看,有人会修改收敛判据,比如把M提高1000倍,但是这对计算结果没有影响,只是看上去好看而已。 

四、关于精度

前不久,交流群里有人贴出了一个FloTHERM与其他软件的对比,结论是FloTHERM在流动阻力的计算中偏差太大。当时在群里引起了比较激烈的讨论。最后得知是测评者在FloTHERM模型中把流线型流道改成了垂直相交的,这无疑增大了流动阻力。

FloTHERM对斜面物体的建模,一直为人所诟病。但其实,FloTHERM软件自带的FloMCAD Bridge,可以将复杂的几何形体转化FloTHERM模型。包括下图中的圆弧形流道。

仿真精度,其实跟很多因素有关,边界条件设置、物性参数选取、模型简化等都会有影响。因此,抛开工程师的因素,把误差完全归结为软件原因是不严谨的。

PK10投注 苹果彩票 幸运飞艇 幸运飞艇 PK10投注 PK10计划 PK10计划 幸运飞艇 PK10计划 PK10计划