化工学报 ›› 2023, Vol. 74 ›› Issue (4): 1474-1488.DOI: 10.11949/0438-1157.20221487
收稿日期:
2022-11-15
修回日期:
2023-03-09
出版日期:
2023-04-05
发布日期:
2023-06-02
通讯作者:
李金旺
作者简介:
李纪元(1997—),男,硕士研究生,1073172970@qq.com
基金资助:
Jiyuan LI1(), Jinwang LI1,2(), Liuwei ZHOU1
Received:
2022-11-15
Revised:
2023-03-09
Online:
2023-04-05
Published:
2023-06-02
Contact:
Jinwang LI
摘要:
冷板是电子设备间接液冷系统的核心部件,在冷板内部流道增加扰流柱可以提高冷板的传热能力,在进行冷板扰流柱的设计时需兼顾降低热源温度与降低流体流过流道的压力损失两方面。结合热源温度、流体压降以及动力源耗能等因素,对内部流道含有菱柱、圆柱、水滴柱扰流结构的冷板的传热性能进行了研究。研究结果表明:含有水滴柱扰流结构的冷板的传热性能最好,且水滴扰流柱长宽比例在2.5∶1时冷板的传热性能最佳,通过缩小扰流柱尺寸、增加扰流柱数量及密度的方式可进一步提高冷板的传热性能。在本研究所实验测试的工况中,水滴柱扰流结构冷板相较于无扰流冷板,散热效果提高了60%左右。
中图分类号:
李纪元, 李金旺, 周刘伟. 不同扰流结构冷板传热性能研究[J]. 化工学报, 2023, 74(4): 1474-1488.
Jiyuan LI, Jinwang LI, Liuwei ZHOU. Heat transfer performance of cold plates with different turbulence structures[J]. CIESC Journal, 2023, 74(4): 1474-1488.
编号 | 结构 | 扰流柱截面积/mm2 | 流道底面积/mm2 | 流道侧面积/mm2 | 流道结构示意图 |
---|---|---|---|---|---|
1 | 无扰柱 | 0 | 224.0 | 705.9 | |
2 | 菱柱 | 3.1 | 186.3 | 1015.9 | |
3 | 圆柱 | 3.1 | 186.3 | 1014.3 | |
4 | 水滴柱 | 3.1 | 186.3 | 1015.1 |
表1 扰流柱结构流道参数对照
Table 1 Comparison of flow channel parameters of spoiler structure
编号 | 结构 | 扰流柱截面积/mm2 | 流道底面积/mm2 | 流道侧面积/mm2 | 流道结构示意图 |
---|---|---|---|---|---|
1 | 无扰柱 | 0 | 224.0 | 705.9 | |
2 | 菱柱 | 3.1 | 186.3 | 1015.9 | |
3 | 圆柱 | 3.1 | 186.3 | 1014.3 | |
4 | 水滴柱 | 3.1 | 186.3 | 1015.1 |
编号 | 结构 | 内部流速/(m/s) | 当量直径/m | Reynolds数 | Nusselt数 | 对流传热系数/(W/(m2·K)) |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 无扰流柱 | 0.29 | 0.0048 | 1758.01 | 8.84 | 1137.48 |
2 | 有扰流柱(分离段) | 0.29~0.58 | 0.0017~0.003 | 1098.76~1255.72 | 1.30~3.24 | 267.01~1168.72 |
3 | 有扰流柱(汇合段) | 0.29~0.58 | 0.003~0.0048 | 1758.01~2197.51 | 8.84~13.24 | 1137.48~2725.77 |
表2 冷板换热能力
Table 2 Heat transfer capacity of cold plate
编号 | 结构 | 内部流速/(m/s) | 当量直径/m | Reynolds数 | Nusselt数 | 对流传热系数/(W/(m2·K)) |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 无扰流柱 | 0.29 | 0.0048 | 1758.01 | 8.84 | 1137.48 |
2 | 有扰流柱(分离段) | 0.29~0.58 | 0.0017~0.003 | 1098.76~1255.72 | 1.30~3.24 | 267.01~1168.72 |
3 | 有扰流柱(汇合段) | 0.29~0.58 | 0.003~0.0048 | 1758.01~2197.51 | 8.84~13.24 | 1137.48~2725.77 |
结构 | 温升值/K | 热源温度/K | 温升降低比例/% |
---|---|---|---|
无扰流柱 | 6.14 | 306.14 | - |
菱柱 | 4.55 | 304.55 | 25.90 |
圆柱 | 3.86 | 303.86 | 37.13 |
水滴柱 | 3.90 | 303.90 | 36.48 |
表3 四种流道结构同能耗下的温升及比例
Table 3 Temperature rise and proportion of four flow channel structures under the same energy consumption
结构 | 温升值/K | 热源温度/K | 温升降低比例/% |
---|---|---|---|
无扰流柱 | 6.14 | 306.14 | - |
菱柱 | 4.55 | 304.55 | 25.90 |
圆柱 | 3.86 | 303.86 | 37.13 |
水滴柱 | 3.90 | 303.90 | 36.48 |
编号 | 水滴柱长宽比 | 水滴柱总长度/mm | 流道底面积/mm2 | 流道侧面积/mm2 | 流道结构示意图 |
---|---|---|---|---|---|
1 | 1.5∶1 | 3 | 181.15 | 1038.05 | |
2 | 2∶1 | 4 | 169.15 | 1099.42 | |
3 | 2.5∶1 | 5 | 157.15 | 1165.78 | |
4 | 3∶1 | 6 | 145.15 | 1234.31 |
表4 水滴柱扰流结构流道参数对照
Table 4 Comparison of flow channel parameters of droplet column turbulence structure
编号 | 水滴柱长宽比 | 水滴柱总长度/mm | 流道底面积/mm2 | 流道侧面积/mm2 | 流道结构示意图 |
---|---|---|---|---|---|
1 | 1.5∶1 | 3 | 181.15 | 1038.05 | |
2 | 2∶1 | 4 | 169.15 | 1099.42 | |
3 | 2.5∶1 | 5 | 157.15 | 1165.78 | |
4 | 3∶1 | 6 | 145.15 | 1234.31 |
流道类型 | 温升值/K | 热源温度/K | 温升降低比例/% | |
---|---|---|---|---|
3 mm水滴柱流道 | 3.91 | 303.91 | 36.32 | |
4 mm水滴柱流道 | 3.81 | 303.81 | 37.95 | |
5 mm水滴柱流道 | 3.77 | 303.77 | 38.60 | |
6 mm水滴柱流道 | 3.81 | 303.81 | 37.95 |
表5 水滴柱流道结构在同理想能耗下的温升及比例
Table 5 Temperature rise and proportion of water droplet column structure channel under the same ideal energy consumption
流道类型 | 温升值/K | 热源温度/K | 温升降低比例/% | |
---|---|---|---|---|
3 mm水滴柱流道 | 3.91 | 303.91 | 36.32 | |
4 mm水滴柱流道 | 3.81 | 303.81 | 37.95 | |
5 mm水滴柱流道 | 3.77 | 303.77 | 38.60 | |
6 mm水滴柱流道 | 3.81 | 303.81 | 37.95 |
编号 | 扰流柱排数 | 扰流柱宽度/mm | 扰流柱数量/个 | 流道底面积/mm2 | 流道侧面积/mm2 | 流道结构示意图 |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3.0 | 16 | 942.90 | 2081.71 | |
2 | 3 | 2.0 | 36 | 942.90 | 2901.63 | |
3 | 4 | 1.5 | 64 | 942.90 | 3721.57 | |
4 | 6 | 1.0 | 144 | 942.90 | 5361.39 |
表6 流道扰流柱密度参数对照
Table 6 Comparison of density parameters of flow passage disturbance column
编号 | 扰流柱排数 | 扰流柱宽度/mm | 扰流柱数量/个 | 流道底面积/mm2 | 流道侧面积/mm2 | 流道结构示意图 |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3.0 | 16 | 942.90 | 2081.71 | |
2 | 3 | 2.0 | 36 | 942.90 | 2901.63 | |
3 | 4 | 1.5 | 64 | 942.90 | 3721.57 | |
4 | 6 | 1.0 | 144 | 942.90 | 5361.39 |
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