一、概述

液冷散热板作为水冷系统的重要组成部分，主要是将发热元器件产生的热量与冷却液充分交换。

某水冷系统部分如图所示，由IGBT、水冷散热板、铝合金板以及铝条安装件组成。

 

图1 水冷系统部分三维示意图

 

图2 水冷系统部分三维爆炸图

 

二、技术参数

1、IGBT单个功耗：100W，共3个；

2、环境温度20℃，水冷散热板水流入口处温度与环境温度相同。

三、icepak仿真模拟

与固体有限元计算需要实体模型不同，流体计算域需要的是流道模型。简言之，流体域指的是流体能够达到的区域。因此，需要对CAD软件创建的固体实体模型进行处理，以抽取流体计算区域。

DM（DesignModeler）是ANSYS workbench中一个模块，主要用于几何模型创建及计算模型准备。其提供了一系列工具用于流体计算域的生成。主要有：Fill功能、几何布尔运算。

进入DM模块，进入菜单File > Import external Geometry File，选择读入创建的几何x_t格式，然后点击Generate按钮，生成几何体。

对于流道内表面相对比较复杂的几何体，DM提供了By Gaps的方法。在使用此方法之前，需要将开口位置生成surface进行封闭。对于本例中的几何，需要利用edge生成4个表面将模型封闭起来。

创建surface：点击菜单Concept > Surface from edges选择如图所示的edge，点击generate按钮，生成surface.下图中黄色弯道是抽取的流道solid。

 

由DM导入到Icepak中显示的界面如下：

 

在opening.2水体进口的Properties面板下勾选X Velocity，并输入初速度为-1m/s，保持默认的温度为ambient，使用环境温度作为进口温度；点击下方的Done，确认完成。

 

同理在opening.2.2水体进口的Properties面板下勾选X Velocity，并输入初速度为-2m/s。

在水体出口的Properties面板下取消勾选Temperature，点击下方的Done； 点击右键选择出口模型，选择Create—Monitor point，创建变量监控点，双击Point下的出口模型，勾选速度及温度，表示监测出口的温度及速度。 并且监控3个热源source。

 

选择3个热源模型source，点击编辑按钮，在属性面板中对Total Power输入100W，点击下方的Done。

 

对于比较复杂的热模型，给各个器件设置多级网格级数，以保证划分网格贴体：

右键单击模型树下器件名称，点击Set meshing levels，在出现的对话框中输入级数，点击Done表示完成。

使用同类操作对水冷板、水体主体、水体进出口、热源分别设置网格级数均为3，IGBT为2，其余模型采用默认值（0级）。

点击快捷工具栏中的网格划分按钮 ，打开划分网格窗口，对于导入icepak的热模型，一般选取划分网格类型Mesher-HD（称为六面体占优网格），图中没有显示的部分采取默认值，然后点击Generate生成网格。

  

网格检查：

选择模型树下的不同器件，单击网格划分面板的Display，选择Surface、Solid fill，可检查划分网格是否贴体。

从图中可以看到划分的网格完全贴体几何模型，整体模型划分网格质量较好；点击Cut plane，可以检查不同切面的网格分布。

 

 

面的对齐率Face alignment约为0.43（小于0.15表示不好的网格），通过切面网格可以发现，满足ANSYS Icepak对流体区域网格的要求。

残差曲线：

 

 

从上图可以看出，随着残差曲线达到收敛标准，监控点的温度、速度将平稳不变。

后处理显示：

 

 

 

定量分析表：

 

 

四、仿真结论

1、从后处理显示图中，可以看出3个热源的最高温度为23.2℃；

2、水冷散热板进出口温度差（平均值相减）0.5℃。

五、理论计算

水冷散热板可以吸收的热量：

在热仿真模型中，热源本文中技术参数总热耗为300w；那么相对误差（315-300）/300=5%，根据水冷散热板进出口的质量统计以及相对误差分析，可以看出，本文散热仿真完全收敛。

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