夜雨聆风
第635篇文章
当AI芯片功耗突破1000W并向4000W迈进，液冷板的微米级结构差异可能直接决定整个系统是“冷静输出”还是“过热降频”。然而，同样一块冷板，流道内放置平行四边形肋片、沙漏型肋片还是双层平行四边形肋片——散热效率可能天差地别，流阻代价也各不相同。
本文基于FloEFD仿真工具，对三种微通道液冷板截面结构进行系统性性能对比分析，揭示几何细节如何从“毫厘之间”影响“千里之外”的热管理表现，并提供从工程到商业的多维度选型建议。
本期给大家带来的是关于某微通道液冷板的性能分析与优化设计研究内容，希望对大家有帮助。
文末有模型领取通道，尽可能耐心看完，觉得有帮助可以点赞分享。
前面我们分享过关于微通道液冷散热技术的流通性、密封性内容，提及三种微通道截面形状结构设计对比，详情可点击下方链接。
其中的三种微通道截面形状结构设计如下图所示，
常规S型流道液冷板通过在流道中内置肋柱来增加对流换热面积，本质上是增大A值以提升换热效率。然而，不是所有的肋柱截面都能带来同等的“换热量与压降”回报。
理论依据：牛顿冷却公式φ=hA(tw-tf)中，由于换热系数h、壁面温度tw、流体温度tf在给定工况下相对固定，唯一可以由设计者自由调配的就是流体与壁面的有效接触面积A。在S型流道中添加肋柱，正是为了让冷却液与肋柱的各个表面产生充分接触，带走更多热量。
但这里存在一个不易察觉的陷阱：肋柱的本质是“换热面积的制造者”，同时也是“流动的障碍物”。增加换热面积必须以“对流阻增加”为代价。而不同截面形状的肋柱，在“单位换热增强所付出的流阻代价”上差异悬殊。
因此，微通道液冷板截面结构的工程目标不是“让A最大化”，而是在给定的热需求下，找到“换热—流阻—压降”三者之间的最优解。
下面借助仿真软件FloEFD分别对这三种液冷板的散热性能进行仿真分析，并通过网格独立性确保其可靠性，有条件的可以试验测试验证一下。
之前我们说过关于设计的流程、需求分析等内容，那么做之前必须了解清楚，否则可能做无用功。
首先，根据文献资料，可以了解到其基本信息，但是我这里做了些处理，尽可能避免不必要的麻烦。
基本信息
冷板的材质选用 6061铝合金，外形尺寸为(150×90×9)mm，流道的进出口截面尺寸为(8×4)mm。
冷板上面有8块阵列排布的电子功放模块(模拟热源)紧贴冷板上下表面，每个热源的发热功率为27w，尺寸为(8×6×2)mm。
供液温度设为35℃，进液口流量Q设为1.2L/min，原冷却液为65号航空冷却液(Glycol-60)，这里我们用水来作对比测试。
设计目标
冷板的工作要求为：在40℃的环境温度 中，冷板表面的最高温度不超过60℃，热源之间的温差不超过3℃。
常规肋片散热截面结构设计图
在S型流道里添加翅柱肋片能够加强冷板散热效率的本质是：热源将热量传给各肋片，冷却液与肋柱的各个表面产生充分接触，这就会带走更多的热量。
根据牛顿冷却公式φ=hA(tw-tf)，式中：h-对流换热系数；A-流体与壁面接触面积；tw-壁面温度；tf-流体温度。
由于A、tw、tf都是定值，只有增大流体与肋片的对流接触面积，才能提高换热量。
首先通过solidworks软件建模，三种截面结构设计：平行四边形肋片、“沙漏型”肋片、双层平行四边形肋片，如下图所示，
平行四边形肋片
沙漏型
双层平行四边形肋片
基于上述信息，根据雷诺公式m=vDρ/μ，其 中，v-冷却液的进口速度，v=Q/A=0.625m/s；D-流道的水力直径，D=2ab/(a+b)=5.3mm；ρ-冷却液的密度，ρ=1000kg/m3；μ-冷却液的动力粘度，μ=1×10-3Pa·s，则计算出Re>2320。
使用FloEFD对四种模型进行热流仿真，如下系列图所示，
子流域设置
网格设置
后处理温度场、流场云图
最终的对比结果如下表所示，
可以看出，此验证的结果和参考文献的有些差异，沙漏型的流阻最好，但温度较高，平行四边形的散热优于其他结构设计，流阻适中。
更多理论性的内容，我们这里就不赘述了，主要是通过软件给大家实操验证，具体内容可搜索具体文献进行了解。
需要此项目的仿真源文件，可关注本公众号，后台发送关键词：MCP，即可获取。
其实，对于这种散热结构设计还有很多，比如仿生学类似设计如下图所示，
仿生结构设计：仿莲藕壳体式储热器
这种在相变储能项目中应用，还有一些在LED散热等方面的应用设计，如仿蜂窝式散热器。
仿生结构设计：仿蜂窝式散热器
我们后续给大家分享关于这些仿生学的结构设计热分析与结构可靠性仿真。
如果你正在为液冷板流道截面的选型决策而犹豫，欢迎留言交流使用FloEFD做截面方案比选的经验。觉得内容有启发，请点赞、转发让更多同行看到，关注我们，每周一篇热设计与工程前沿深度内容！
参考文献
1.某微通道液冷板的性能分析与优化设计 《机械设计与制造》2023年3月期。
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