基于PERA SIM Fluid的液冷板换热分析

本文以冷液换热板模型为研究对象，使用安世亚太自主研发的通用流体仿真软件PERA SIM Fluid进行建模和仿真，研究其稳态运行时的热分布情况，并与成熟商用CFD软件对比，验证了PERA SIM Fluid的高精度和可靠性。

关键词：液冷板 换热 PERA SIM Fluid

液冷板换热技术是近年来在热管理领域备受关注的研究方向。随着电子器件功率密度的不断增加，传统的空气冷却方式已经无法满足高效散热的需求。液冷板作为一种有效的散热解决方案，具有优异的换热性能和温度控制能力，因此在电子器件散热领域得到了广泛应用。

液冷板换热技术的引入可以显著提高电子器件的散热效果。通过将流体（通常是液体）流经液冷板的表面，可以实现更高的换热系数和均匀的温度分布。这对于保护敏感的电子器件和组件非常重要，可以避免局部过热或过冷的问题。在液冷板换热技术的研究中，有许多关键问题需要解决。首先是液体选择的问题，合适的流体对于液冷板的性能至关重要。其次是液冷板的设计和制造，需要考虑材料的热膨胀系数、热传导性能以及液体密封性等因素。此外，液冷板换热技术还需要解决液体泄漏、流动阻力和能耗等方面的挑战。

近年来，许多研究者在液冷板换热技术方面进行了深入的研究。他们通过优化液冷板的结构设计、改进流体流动方式以及探索新型材料等手段，不断提高液冷板的换热性能和可靠性。这些研究成果为电子器件散热提供了重要的理论和实践基础。

本文采用安世亚太自主研发的通用流体仿真软件PERA SIM Fluid进行液冷板共轭换热仿真分析。

2.1 几何模型处理

本模型只要包括液冷管、换热板和发热体三部分组成，输入模型为面，且存在较多细小间隙，使用快速修复、去特征及识别体完成几何修复并创建完整几何模型。如下图所示：

图1 几何模型

图2 内部管路分布

2.2 网格划分

液冷板网格划分主要分为两种方式：第一种为基于包面，第二种基于体网格。第一种方法即首先生成包面网格，检查网格质量是否合适，若存在较差网格质量或者面网格分布不合理，使用网格编辑功能进行编辑进行网格调整，网格质量较高时，再基于面网格生成体网格。第二种基于网格设置直接生成体网格。本文选择网格生成方法为直接生成体网格。

其中设置全局网格最大5mm，最小为0.1mm，局部网格设置液冷管尺寸为0.25mm，最小为0.1mm，边界层设置为5层，第一层高度为0.018mm（此处根据PERA SIM自带边界层Y+计算得到）。

图3 边界层计算

图4 整体网格

图5 内部边界层

2.3 材料及边界条件设置

三个发热元件材料及换热板选择金属铝，冷却液选择液态水。

图6 材料设置

本次计算为稳态计算，湍流模型使用标准k-ε，真实k-ε及RNGk-ε三种分别进行计算，其他设置保持一致。

图7 湍流模型设置

入口流速1m/s,热源1、2、3功率密度分别为1e+08、5e+08和1e+09W/m3， 压力速度耦合算法选择SIMPLE，对流项空间离散格式选择一阶迎风格式；收敛的残差标准默认10e-4；采用标准初始化方法，初始速度和压力均为0，初始温度为300K，计算步数为1000步。

图8 其他边界设置

为了对比验证PERA SIM Fluid在液冷板换热计算的准确性，使用某商用CFD软件计算进行对比分析，取液冷板内部三个点

点A（363.945，-33.3401，210）

点B（403.515，-33.189，213.866）

点C（435.794，-35.2959，213.866）

进行计算结果验证，分别使用标准k-ε，真实k-ε及RNGk-ε三种模型将PERA SIM Fluid计算结果与成熟商用CFD软件计算结果对比，两款软件计算的温度场分布趋势基本一致，计算偏差最大为2.02%，平均偏差为0.813%。具体结果如下：

（1） 标准k-ε

单位：mm

（2） 真实k-ε

（3） RNG k-ε

图9 PERA SIM计算结果云图

图10 PERA SIM计算结果切面云图

本文基于PERA SIM Fluid通用流体分析软件，分析了液冷板特性，实现了几何模型处理、网格划分、材料参数设置、模型和边界条件设置、求解设置、计算以及结果后处理的完整分析流程，验证了PERA SIM Fluid强大的前后处理功能以及求解器稳健快速的收敛特性，并与成熟的商用CFD软件计算结果对比，温度场结果分布基本一致，温度分布平均偏差为0.813%，计算精度高，完全满足仿真计算需求。