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液冷板性能多參數優(yōu)化和性能分析
摘 要：為了提高液冷板的綜合性能，對影響其散熱效果及流阻的重要因素――冷板厚度、流道的寬度及并行流道的數目進行了多參數數值優(yōu)化，并對優(yōu)化前后冷板的流動特性及熱特性進行了分析。結果表明：冷板厚度為9 mm， 寬度為5.4 mm，并行流道數目為12時，冷板的性能最好，與優(yōu)化前相比，冷板表面的最高溫度T和流阻P分別降低了1.9 %和13.8；流道的寬度對冷板性能影響最為顯著，并行流道數目對冷板性能影響最小。本文旨在為液冷板后續(xù)優(yōu)化研究提供指導。
關鍵詞：液冷板；流道參數；數值優(yōu)化；性能分析
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.122
隨著電子技術的迅速發(fā)展，電子元件日趨向微小型化發(fā)展，集成度不斷提高，使得其熱流密度迅速增加，傳統(tǒng)的風冷已無法滿足散熱需求。與風冷散熱相比，水冷散熱換熱效率較好、均熱性強、成本低、可靠性高，成為目前應用較為廣泛的電子設備散熱方式之一。但是由于電子元件發(fā)熱功率的不斷提高，如何實現(xiàn)電子設備的高效散熱，保證電子元件可靠性是目前的研究熱點之一，因此提高液冷板的熱效率，改善其流動特性顯得尤為重要[1-5]。
液冷板的優(yōu)化研究目前集中在流道結構獨立參數對冷板散熱性能或流阻特性的影響上，而對流道結構多參數對液冷板綜合性能的影響研究較少。由于實驗研究電子設備散熱系統(tǒng)的散熱效果周期長且耗資巨大，因此，本文以提高液冷板的綜合性能為目標，采用數值方法，基于RBF神經網絡模型和多目標遺傳算法對液冷板流道結構多參數進行優(yōu)化求解及分析，為今后液冷板性能的研究提供指導。
1 研究對象
本文以1臺內部流道為并聯(lián)形式的液冷板為計算模型，其主要參數為：流量Q=40 mL/s，液冷板的長度a=200 mm，b=200 mm，厚度h=6.5 mm，流倒寬度d=6 mm，并行流道數目n=15，冷卻工質為水。液冷板三維模型如圖1所示。
2 研究方法
2.1 優(yōu)化變量
綜合考慮到冷板的實際使用要求及成本，保持原冷板長寬不變，流量不變，因此選取冷板流道的3個關鍵參數作為優(yōu)化變量，分別為：冷板厚度h，流道寬度d，并行流道數目n，其中冷板兩側到流道上下底面的距離均為1.5 mm。
2.2 優(yōu)化方法
冷板流道的多參數優(yōu)化以相同工況下冷板表面最高溫度最低和冷板進出口壓差即流阻最小為目標函數，基于RBF神經網絡構造冷板的性能預測模型，通過BBD中心組合試驗和CFD數值計算獲得一系列樣本點，并對構建的神經網絡預測模型進行訓練，然后采用NSGA-II多目標遺傳算法求得一組最優(yōu)解，具體優(yōu)化步驟如下：
a.確定所研究的優(yōu)化變量；
b.對原模型進行CFD數值計算，獲得原模型性能參數；
c.基于原模型流道參數初始值，確定優(yōu)化變量取值，建立BBD中心組合試驗表，按試驗表進行數值計算，得到溫度、流阻值；
d.將每組試驗作為一個樣本點，訓練RBF神經網絡預測模型，并確定模型準確性；
e.基于NSGA-II多目標進化遺傳算法，求得性能最優(yōu)的一組參數值，并計算驗證。
3 數值計算方法
計算域包括冷板、水體、進口延長段和出口延長段共4部分。系統(tǒng)計算域模型如圖2所示。所有流場均設為靜止坐標系。
利用CFX15.0對冷板進行穩(wěn)態(tài)數值計算，湍流模型采用k-ε湍流模型。計算域進口邊界條件設為速度進口，為2 m/s，出口邊界條件為壓力出口，靜壓為0 Pa；工質為水，進口水溫303.15 K；對冷板上底面進行持續(xù)加熱，熱流密度為3000 W/m2；冷板外壁面及進出口延長段壁面均設為絕熱；使用PRESTO格式離散壓力項，二階迎風格式離散對流項，其余采用二階中心差分格式；均采用無滑移壁面，粗糙度設為0.05 mm；網格關聯(lián)采用GGI方式。
采用ICEM CFD對上述各部件進行四面體非結構網格劃分，并對固液交界面進行了網格加密，網格質量均在0.2以上。為進行網格無關性分析，對原模型共劃分5套不同網格數的網格，均采用CFX進行前處理，并保證邊界條件、湍流模型等設置一致，以冷板表面的最高溫度為評判標準，結果列于表1。從表1可看出，隨網格數的增加，冷板表面的最高溫度的誤差在2%以內。綜合計算經濟性等各方面因素，后續(xù)研究均采用方案4的網格尺寸進行數值計算。
流道內流體與冷板的換熱過程屬于強對流換熱，根據牛頓冷卻定律，對流換熱的換熱量Q公式如下：
（1） 式中：hi為對流換熱系數；Ai為固體壁面對流換熱表面積；Twi和Tfi分別為固體壁面溫度和流體溫度。對原模型的數值計算結果進行分析，發(fā)現(xiàn)冷板的最高溫度為313.21 K，流阻為5.83 kPa。
由式（1）可看出，對流換熱面積直接影響冷板的散熱效果 |
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