一、概述

液冷散熱板作為水冷系統的重要組成部分，主要是將發熱元器件產生的熱量與冷卻液充分交換。

某水冷系統部分如圖所示，由IGBT、水冷散熱板、鋁合金板以及鋁條安裝件組成。

 

圖1 水冷系統部分三維示意圖

 

圖2 水冷系統部分三維爆炸圖

 

二、技術參數

1、IGBT單個功耗：100W，共3個；

2、環境溫度20℃，水冷散熱板水流入口處溫度與環境溫度相同。

三、icepak仿真模擬

與固體有限元計算需要實體模型不同，流體計算域需要的是流道模型。簡言之，流體域指的是流體能夠達到的區域。因此，需要對CAD軟件創建的固體實體模型進行處理，以抽取流體計算區域。

DM（DesignModeler）是ANSYS workbench中一個模塊，主要用于幾何模型創建及計算模型準備。其提供了一系列工具用于流體計算域的生成。主要有：Fill功能、幾何布爾運算。

進入DM模塊，進入菜單File > Import external Geometry File，選擇讀入創建的幾何x_t格式，然后點擊Generate按鈕，生成幾何體。

對于流道內表面相對比較復雜的幾何體，DM提供了By Gaps的方法。在使用此方法之前，需要將開口位置生成surface進行封閉。對于本例中的幾何，需要利用edge生成4個表面將模型封閉起來。

創建surface：點擊菜單Concept > Surface from edges選擇如圖所示的edge，點擊generate按鈕，生成surface.下圖中黃色彎道是抽取的流道solid。

 

由DM導入到Icepak中顯示的界面如下：

 

在opening.2水體進口的Properties面板下勾選X Velocity，并輸入初速度為-1m/s，保持默認的溫度為ambient，使用環境溫度作為進口溫度；點擊下方的Done，確認完成。

 

同理在opening.2.2水體進口的Properties面板下勾選X Velocity，并輸入初速度為-2m/s。

在水體出口的Properties面板下取消勾選Temperature，點擊下方的Done； 點擊右鍵選擇出口模型，選擇Create—Monitor point，創建變量監控點，雙擊Point下的出口模型，勾選速度及溫度，表示監測出口的溫度及速度。 并且監控3個熱源source。

 

選擇3個熱源模型source，點擊編輯按鈕，在屬性面板中對Total Power輸入100W，點擊下方的Done。

 

對于比較復雜的熱模型，給各個器件設置多級網格級數，以保證劃分網格貼體：

右鍵單擊模型樹下器件名稱，點擊Set meshing levels，在出現的對話框中輸入級數，點擊Done表示完成。

使用同類操作對水冷板、水體主體、水體進出口、熱源分別設置網格級數均為3，IGBT為2，其余模型采用默認值（0級）。

點擊快捷工具欄中的網格劃分按鈕 ，打開劃分網格窗口，對于導入icepak的熱模型，一般選取劃分網格類型Mesher-HD（稱為六面體占優網格），圖中沒有顯示的部分采取默認值，然后點擊Generate生成網格。

  

網格檢查：

選擇模型樹下的不同器件，單擊網格劃分面板的Display，選擇Surface、Solid fill，可檢查劃分網格是否貼體。

從圖中可以看到劃分的網格完全貼體幾何模型，整體模型劃分網格質量較好；點擊Cut plane，可以檢查不同切面的網格分布。

 

 

面的對齊率Face alignment約為0.43（小于0.15表示不好的網格），通過切面網格可以發現，滿足ANSYS Icepak對流體區域網格的要求。

殘差曲線：

 

 

從上圖可以看出，隨著殘差曲線達到收斂標準，監控點的溫度、速度將平穩不變。

后處理顯示：

 

 

 

定量分析表：

 

 

四、仿真結論

1、從后處理顯示圖中，可以看出3個熱源的最高溫度為23.2℃；

2、水冷散熱板進出口溫度差（平均值相減）0.5℃。

五、理論計算

水冷散熱板可以吸收的熱量：

在熱仿真模型中，熱源本文中技術參數總熱耗為300w；那么相對誤差（315-300）/300=5%，根據水冷散熱板進出口的質量統計以及相對誤差分析，可以看出，本文散熱仿真完全收斂。

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