基于Fluent的水冷板式散热器数值模拟与试验研究

     1  前言

    随着电力电子技术、加工技术和大规模、超大规模集成电路的发展,电力电子设备的散热问题越来越受到关注,尤其是在大功率应用领域,以IGBT和IGCT大功率D电子器件的发展最为迅速,其散热问题成为电力技术人员急于解决的问题[1]。

   目前在工程应用方面,水冷散热器的结构设计大部分是经验设计,实际的散热效果并不理想,唯一的测定方法就是试验,但是采用试验方法存在着时间长、成本高、试验条件有限、试验数据不准确等因素。如GUO Yong-sheng[2], Lin Rin-sun等对航天器上碳氢燃料高温结构部分的散热器进行过研究,XiangWu等对大功率桥接激光二极管的散热器的温度梯度进行了研究[3], LiHua等人对碳-铜复合材料散热器在不同的热载荷和冷却条件下的整体性能进行了研究[4],郭洪卫等对装载机上用水冷散热器取代风冷散热器的进行了探讨[5]。而国内外对水冷散热器数值模拟研究的文献中,却很少进行相应的试验研究。谢旭良、陶文铨等对一款正方形截面扰流柱交错布置的水冷散热器进行了三维层流流动与换热的数值模拟,但是没有涉及湍流模型和试验验证[6]。刘衍平等用ANSYS/FLOTRAN对耗散功率为4~6kW的水冷散热器进行了数值模拟,但是同样未进行试验验证[7]。

    本文先用经验公式对散热器的热性能进行了理论计算,然后利用fluent软件模拟了国内某型号电力机车用水冷散热器的散热过程,得到散热器的温度分布和内部流体的流动情况,并且通过对模拟的数据进行分析找出其存在的结构缺陷。最后进行了相应的试验研究发现经验计算、数值模拟与试验三者吻合,说明三者结合研究的方法能更好的为散热器的设计和改进提供重要理论依据。

    2   理论计算

    根据传热学和流体力学的经验公式,对散热器的温升和流阻进行理论计算,得到各工况下散热器的热阻和压降如表1所示。

    3   数值模拟与仿真过程

    3. 1 计算域的确定和参数设定

    本问题中计算运用的控制方程为三维常物性不可压缩流动的连续性方程及N-S动量及能量方程。计算域为水冷散热器内部流体的流动区域,模型采用k-E标准湍流模型[8、9]:

    3. 2 数值模拟模型的建立及计算

    利用Pro/E软件强大的三维建模功能,在解决CAD与CAE软件的接口问题后,将Pro/E中建立的模型导入到fluent的前处理模块Gambit中。

    在数值模拟过程中,对模型做如下合理假设: