基于边界层厚度的液冷流道散热器流阻评估方法

1.本发明涉及流道减阻领域，具体涉及一种基于边界层厚度的液冷流道散热器流阻评估方法。


背景技术：

2.摩擦是一种自然现象，在几千年的人类社会发展过程中一直扮演着举足轻重的角色，既时刻影响着人们的生活，也在无数场合被人们所利用。摩擦有时是有益的，如人类行走或汽车行进时，鞋底或轮胎与地面的摩擦，铅笔写字、演奏乐器等; 但摩擦也在全世界范围内带来了巨大的能量消耗、机械机构磨损等问题。因此，尽可能降低摩擦（理想状态为“零摩擦”) ，使其带来的负面影响最小化（能量损耗、磨损等都大大降低），成为科研人员长期以来所追寻的目标。随着科学技术的进步和生产需要，电子设备朝着微型化和集中化方向发展，物理尺寸的减小与元件功率的增加使电子设备的热流密度日益增高。针对未来电子设备微型化、功率高的特点，迫切需要一种适应电子设备发展趋势的热管理系统。液冷流道水冷散热系统具有散热性能好，均温性好，设备质量小，稳定性好等优点，是未来高热流密度电子设备的优选散热方案。液冷流道水冷散热系统性能与流道内液体的流量、压降与管道几何结构有关。使液冷流道表面具备“超滑”特性，可以有效降低管道内流体流阻，利于液体流动，从而提高液冷流道水冷散热系统性能。超滑液冷流道流阻可以通过实验得到，但浪费时间和金钱，为解决以上问题，提出了一种基于边界层厚度的液冷流道散热器流阻评估方法，定义了流阻评估函数rv，通过利用数值模拟的方法，计算超滑液冷流道水冷散热系统工作时的流体边界层厚度，计算出流阻评估函数，实现超滑液冷流道流阻评估，为超滑液冷流道水冷散热系统设计提供了帮助。


技术实现要素：

3.本发明的目的之一在于针对使用实验手段对超滑液冷流道流阻评估浪费时间和金钱的现状，提供一种基于边界层厚度的液冷流道散热器流阻评估方法。
4.本发明的目的之二在于提供该方法的实施方案。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：基于边界层厚度的液冷流道散热器流阻评估方法，包括以下步骤：（1）根据超滑液冷流道结构，建立几何模型；（2）利用fluent软件把几何模型转化为有限元仿真模型；（3）利用有限元仿真模型进行计算，得到不同工作条件下，超滑液冷流道壁面的边界层厚度；（4）计算出流阻评估函数r
v总
= r
v入
r
v出
，rv=；（5）重复（1）到（4）步骤，根据不同的超滑表面制备方式，修改有限元模型，反复计算，获取流阻评估函数，评估液冷流道散热器流阻。
6.进一步的，所述步骤（1）的具体步骤为：根据超滑液冷流道结构，包括流道形状、尺寸、面积、间隔、材料、物性参数、超滑表面特性建立几何模型。
7.进一步的，所述步骤（2）的具体步骤为：根据步骤（1）中的几何模型，通过ansys的scdm模块建立有限元仿真模型，划分好流体域和固体域，确定好边界条件命名；将几何模型导入网格划分软件中进行网格划分前处理；将网格文件导入fluent中，进行表面粗糙模型，多项流动，物质转换，流体运动粘度方程、模型能量方程的设定与选择，定义材料参数、求解器、求解相关参数的输入与设置，设定合理的监控时间点。
8.进一步的，所述步骤（3）的具体步骤为：根据上文有限元模型，设定计算的边界条件与初始条件并开始计算，将计算得到的结果导入cfd-post模块中进行后处理，获取超滑液冷流道壁面的边界层厚度；边界层厚度定义为沿液冷流道内壁面法线方向，流体速度达到当前自由流速度99%的位置，到壁面的厚度；由于液冷流道中管路结构复杂，自由流速度计算困难，因此将该分支管道中的平均速度界定为自由流速度，并获取相关的边界层厚度x
0.99v
。
9.进一步的，所述步骤（4）的具体步骤为：根据上文得到的超滑液冷流道壁面的边界层厚度数据，计算出流阻评估函数r
v总
= r
v入
r
v出
，rv=,式中r
v总
为总体液冷流道的流阻评估函数，r
v入
为入口流道的流阻评估函数，r
v出
为出口流道的流阻评估函数，r
v分支
为分支流道的流阻评估函数，r为该段流道直径，l为该段流道直径长度；流阻评估函数越小，则液冷流道内流阻越小。
10.进一步的，所述步骤（5）的具体步骤为：重复步骤（1）至（4）的过程，根据不同的超滑表面制备方式，修改有限元模型，主要是更改超滑液冷流道表面粗糙度模型，粗糙度系数，表面微结构，表面材料物性等相关参数；反复进行计算，获取超滑液冷流道各壁面的边界层厚度数据，计算出流阻评估函数r
v总
，r
v总
越小，则证明该种超滑液冷流道表面流阻越小。
11.本发明基于边界层厚度的液冷流道散热器流阻评估方法，定义了流阻评估函数rv，作为液冷流道散热器流阻评估指标，将液冷流道散热器流动阻力评估转化为数学问题，使用数值模拟的方法建立与实际体系一致的超滑液冷流道水冷流动仿真模型，获取液冷流道水冷散热系统工作时的流体边界层厚度，利用边界层厚度与流道其他参数计算出流阻评估函数rv，对液冷流道散热器流阻进行评估，为超滑液冷流道水冷散热系统设计提供了帮助。
附图说明
12.图1是本次发明的基本流程结构图。
13.图2是本次发明的实施例液冷流道结构示意图。
14.图3是本次发明的实施例液体流速分布图。
具体实施方式
15.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进一步详细说明。此处说明若涉及到具体实例时仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
16.本实施例中的一种基于边界层厚度的液冷流道散热器流阻评估方法，实施流程如下，图1是本次发明的基本流程结构图。
17.1）根据超滑液冷流道结构，如图2所示，建立几何模型，包括流道形状、尺寸、截面积、分支流道间隔、材料、物性参数、超滑表面微结构特征，传热流体物性参数，流体流速等；其中液冷流道所在的冷板尺寸为25 x 25 x 3.5mm，流道为直通形结构，进口、出口流道长度20mm，分支流道与进出口流道垂直，长度为18mm，分支流道间隔为4mm，流道截面均为半径1.5mm的圆形，使用的传热介质为去离子水，构造超滑表面的方式为液体超润滑，即在液冷流道表面构造储存微结构，注入与去离子水不互溶的润滑油。
18.2）通过ansys的scdm模块建立仿真模型，划分好流体域与固体域，确定好边界条件命名；（液冷流道入口、出口、超滑表面）。
19.3）上一步绘制的模型导入meshing模块中进行网格划分前处理， 采用扫掠网格，自动网格，四面体网格划分方法，网格尺度选择0.1-1mm，网格数目在40万左右，正交质量最小值大于0.18，平均横纵比为1.77，满足fluent计算时收敛的网格质量要求。
20.4）将网格文件导入fluent中，设置数学模型（表面粗糙模型，设定多相流模型-vof模型，两相分别为：汽、液态传热介质；设定传热介质物质转换温度点，k-ε湍流模型、能量模型）、物性参数（密度、黏度、比热容、导热系数，分子质量，标准态焓）设置边界条件（入口流量，出口压力，液体与壁面摩擦系数，壁面润滑油层厚度），选择simple计算方法，调整亚松弛因子，设定模型计算初始条件，开始数值模拟计算。
21.5）将数值模拟计算得到的数据集导入cfd-post模块中进行后处理，得到液冷流道液冷散热系统稳定工作状态时的液体流速分布图（如图3），导出每个点的速度数据，计算各管路中的平均流速，将其设定为当前管路的自由流速度；流道中液体流速为自由流速度99%的位置，即为边界层的分界点，边界层分界点到超滑液冷流道壁面的距离，即为边界层厚度x
0.99v
。
22.6）根据上文得到的超滑液冷流道壁面的边界层厚度数据，计算出流阻评估函数r
v总
= r
v入
r
v出
，rv=,（式中r
v总
为总体液冷流道的流阻评估函数，r
v入
为入口流道的流阻评估函数，r
v出
为出口流道的流阻评估函数，r
v分支
为分支流道的流阻评估函数，r为该段流道直径，l为该段流道直径长度）；并按照超滑液冷流道表面构造方式，超滑表面特征与流阻评估函数r
v总
一一对应的方式记录下来。
23.7）重复步骤1、2、3、4、5，6根据不同的超滑表面制备方式，获取超滑液冷流道壁面的流阻评估函数r
v总
，r
v总
越小，则证明该种超滑液冷流道表面流阻越小；对比不同方式的流阻评估函数，能直观的判断超滑液冷流道表面流动阻力。
24.本发明基于边界层厚度的液冷流道散热器流阻评估方法，定义了流阻评估函数rv，作为液冷流道散热器流阻评估指标，将液冷流道散热器流动阻力评估转化为数学问题，使用数值模拟的方法建立与实际体系一致的超滑液冷流道水冷流动仿真模型，获取液冷流道水冷散热系统工作时的流体边界层厚度，利用边界层厚度与流道其他参数计算出流阻评
估函数rv，对液冷流道散热器流阻进行评估，为超滑液冷流道水冷散热系统设计提供了帮助。
25.本实施例硬件配置基于双路intel xeon e5-2698r v4@2.20 ghz cpu、nvidia gtx 2080ti 11 gb gpu和128gb内存，windows server 2019 操作系统下。
26.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。