用SINDAFLUINT对回路热管的模拟及优化设计.doc

回路热管的模拟及优化设计 莫冬传，吕树申* (中山大学化学与化学工程学院，广州，510275) 摘要：本文致力于设计出以水为工质、传热量200W以上的小型回路热管，并应用SINDA/FLUINT对其进行模拟。主要研究回路热管的各种参数对其传热性能的影响并进行优化，模拟的结果显示优化后的回路热管有着更优异的传热性能。 关键词：回路热管，SINDA/FLUINT，模拟，优化 一、前言 伴随着科技的迅速发展，许多电子产品有着小型化、精致化的趋势，但由于对性能要求越来越高，相对使用的功率必定也越来越高。这样，电子组件表面的发热密度将迅猛增加，相应的热处理问题就变得十分尖锐。比较典型的此类电子组件有计算机CPU，VGA，南北桥芯片组或通讯组件PA等。如何在有限的空间解决这类散热问题，确保电子产品的正常操作成为了急需解决的关键技术问题和商业化需求。 回路热管(Loop Heat Pipe，LHP)是由俄罗斯科学家Yu.F.Maidanik教授所发明的一种传热装置。它利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行，利用工质的蒸发和冷凝来传递热量，因此能够在小温差、长距离的情况下传递大量的热量，是一种高效的两相传热装置。 由于回路热管有着良好的传热性能，回路热管在航天航空方面应用比较广泛，技术也比较成熟，但目前回路热管有着造价昂贵，装置庞大等缺点，使它的应用也主要是在航天航空方面[1]。如何将回路热管进行小型化，廉价化，从而广泛适用于民用，特别是电子芯片冷却方面[2][3][4]，这是我们进行探讨的目的。 文献提及回路热管传热性能的评价主要有四个指标，最低启动功率，最高运行功率，稳定操作温度以及回路的热阻。[3][5]其中稳定操作温度指蒸发器壁面在某一特定功率下稳定操作时的温度。我们认为这是评价用来电子芯片散热的回路热管的最重要的参数。因为稳定操作温度的高低直接影响着电子芯片的工作性能。本文的优化设计将以此为准则。 本研究用到了一个软件----SINDA/FLUINT。该软件是CR公司开发的一个应用于复杂系统热设计分析和流体流动分析的综合性有限差分、集总参数（网络类型）软件。应用领域包括航空航天、电子、石油化工、生物医药、汽车等在全世界有超过25个国家、500多个使用此软件。多年来，SINDA/FLUINT已经在航空航天业界提供给用户最可靠的传热与流体流动设计分析 图Ⅰ 回路热管的示意图 回路热管由蒸发器、蒸汽段、冷凝器、回流段、补偿室五个部分组成，如图?所示。其中，在蒸发器内部有一组毛细结构(Wick Structure)。在蒸发器内壁或者毛细结构上有许多蒸汽槽道，如图?的A-A截面所示。其基本的工作原理是：毛细结构本身可以将液态往上吸，使得毛细结构充满工质液体，而当蒸发器被加热时，毛细结构也被加热，毛细结构中的液体便会蒸发成气体，并通过蒸汽槽道沿着蒸汽段到冷凝段，同时带走了热量；而在冷凝段中，气体被冷凝成了液体，释放出潜热；而毛细结构的毛细力再使液体沿着回流段回流到补偿室，并到达毛细结构。如此形成了一个工质的流动循环和热量传递过程。补偿室的作用主要是启动的时候容纳在蒸汽段和冷凝段的液体，并且在运行时防止液体来不及回流造成蒸发器干涸。 三、数学模型 在这个模型中，补偿室和蒸汽槽道的体积都用tanks来建模，环路中的其它部分用junctions 和connectors来模拟。模拟补偿室的tank在每一步求解过程中通过HLDLMP来保持在所给定的状态，其中HLDLMP的作用是使lump表现为plenum。然后，体系的压力在稳态求解结束时调整到使整个环路都处于能量平衡。当然，这包括计算不平衡的能量，然后朝最终解的方向改变压力。[7]其它的控制语句都是在这个基础上实现。最后得到的模型的直观图如图Ⅱ和图Ⅲ所示。其中图Ⅱ为主要的流体模型，图Ⅲ为主要的热模型。 图Ⅱ 模型的主要流体模型 图Ⅲ 模型的主要热模型 我们计算了不同功率下回路热管负荷端和蒸发器壁的温度，得到如图Ⅳ所示的曲线。由图可见，负荷端和蒸发器壁的温度都在随着功率的增大而增大，近似线性上升。在150W时，蒸发器壁的温度为66.9℃，负荷端的温度为71.1℃。在200W时，蒸发器壁的温度为75.6℃，负荷端的温度为81.3℃。在这个温度下，绝大多数电子芯片仍然是处于正常工作状态，体现了回路热管在热量传递方面的优异性能。 图Ⅳ 不同功率下负荷端和蒸发器的壁温 四、优化设计 在初步模拟的基础上，我们进一步讨论了回路热管的各种参数对其传热性能的影响。在此只讨论蒸发器的直径和长度的影响，如图Ⅴ和图Ⅵ所示。其中的D为蒸发器的外径，L为蒸发器的长度，T为蒸发器的壁温。 图Ⅴ 蒸发器直径对蒸发器壁面温度的影响 图Ⅵ 蒸发器长度对蒸发器壁面温度的影响 由图Ⅴ可见，在80W时候，蒸发器的温度随