均热板相变传热仿真分析

摘要：随着高性能计算（HPC）、云计算、人工智能等行业迅猛的发展，计算机芯片的热流密度持续升高。为了保证计算机高效、稳定的运行，对散热问题的解决提出了巨大的挑战，相变散热是一种非常有优势的散热方式，近几年受到人们广泛关注。文中对相变散热的核心部件均热板进行研究，均热板的微槽道结构对其散热效果具有很大的影响，通过对矩形、V形、 圆弧形微槽道均热板的数值模拟仿真分析，研究其内部流体域温度、压力、速度的变化情况，发现V形槽均热板具有最好的 散热效果，矩形槽次之，圆弧U形最差；圆弧U形槽均热板的均温性最好，矩形和V形槽较差；三种微槽道结构内部流体域流 动速度较缓慢。 

关键词：均热板；相变；数值模拟；微槽道

近年来随着微电子技术的迅猛发展，电子器件的体积不断缩小，集成度不断提高，这使得单位体积内的发热量越来越大。因此，为保证电子器件高效、稳定地运行，必须利用有效的散热技术来防止过高的工作温度。

而均热板通过内部工质液的相变 （气-液往复循环） 来达到散热目的，是一种非常高效的散热方式，它不需要任何移动电源，避免了传统散热方式耗电能的劣势，是一种非常节能、绿色、环保的高性能散热装置。故本文针对V 形、圆弧和形微槽道结构均热板为研究对象，利用Fluent 软件进行均热板内部流体域数值模拟，研究不同的微槽道结构形状对均热板散热性能的影响。

从外观来看，均热板类似于一种平面板状物，上下各有一个像盖的结构相互密合，在密封真空腔体内有支撑柱，通常以去离子水为工作流体。同时，均热板内部存在于类似毛细管道的微结构，最常见的微结构类型有3 种：粉末烧结、金属网层和平行凹槽。均热板的工作原理包括传导、蒸发、对流、凝结，均热板在工作时, 内部工质受热或冷却时发生液相到气相和气相到液相的相变过程 , 可 吸收和释放大量的热来进行热量的快速传递。

本文以矩形、V 形、圆弧U形微槽道结构均热板为研究对象，由于均热板内部为密封的真空腔体，很难观察到其内部流体域变化情况，故利用Fluent软件进行数值模拟，分析微槽道结构 对流体域参数变化的影响。因为真实均热板微槽道结构数量非常之多，数值模拟时所耗费的时间长且对硬件设施要求高，故选取从真实均热板内部切出一个小单元体为仿真模型，运用有限元的思想，以部分代替整体来研究类似毛细管道的微槽道结构形状对均热板散热性能的影响，对比3种结构选出最优方案，为均热板微槽道结构设计提供一些理论依据，同时本文还研究了3种结构均热板的均温性及内部流体域压力、速度变化情况。

2.1 三维模型构建

本课题以微结构尺寸如图3所示，以直径为6 mm,高度为3 mm的圆盘状均热板为研究对象，利用UG三维软件构建三种微槽道结构，如图4所示，该模型选取自实际应用均热板的一个小单元，运用有限元思想，以部分代替整体。将该模型导入Geometry模块，进行边界条件定义。

本课题使用Mesh自动划分网格功能，打开Mesh模块，在树状图下方选择CFD(计算流体力学)及Fluent(流 体)，尺寸高级功能选择Proximity(打开接近)，运用相关性和相关中心两个维度来调节网格大小，选择合适的网格。 

Fluent模块包括7个方面的设置，分别为通用模块、材料模块、模型模块、边界条件模块、求解模块、初始化模块及计算模块。

3.1 3种微结构散热性能比较

3种微槽道结构均热板的边界条件为蒸发端热源温度为573 K，冷凝端冷流温度为283.15 K，壁面为辐射散热温度值为298.15 K，即室温为25 ℃。根据均热板的工作原理，冷凝端会有热源从蒸发端传递而来，而蒸发端同样会有冷流从冷凝端传递过来，故通过对比讨论3种均热板（矩形、V形、圆弧U形）冷凝端的温度最大值T_max与蒸发端的温度最小值T_min可以判别哪种微结构均热板传热速度的快慢，进而研究均热板的散热性能的好坏。

均热板冷凝端的T_max越大，其热源从蒸发端传至冷凝 端的速度越快，从图5中可以看出矩形和V形微槽道均热 板的T_max很接近，其远远大于圆弧U形，说明矩形与V形的热传递速度相近大于圆弧U形；均热板蒸发端的T_min越小， 其冷流从冷凝端传至蒸发端的速度越快，从图6可以看出矩形和V形微槽道均热板冷流的T_min同样很接近，远小于U 形，也说明矩形与V形的热传递速度相近且大于圆弧U 形。因此三种微槽道均热板的热传递速度矩形与V形接近，圆弧U形最差。

传热量同样也是表征均热板散热效果好坏的一个参量，图7表示了3种不同微槽道结构随时间（从上往下）变化的轴截面温度云图，从图中可以看出这3种结构的温度云图均呈梯度式分布，随着时间的变化，V形槽道均热板的传热量最大，矩形次之，圆弧U形最差。

因此，通过传热速度与传热量的两个维度的分析，最终得出V形槽道具有最好的传热效果，即V形微槽道均热板结构具有最好的散热效果。

3.2 3种微结构均温性的研究

均温性对均热板的好坏具有很大影响，本课题比较了3种不同微槽道结构蒸发端与冷凝端的ΔT，从图8和图9中可以看出，圆弧U形微槽道均热板具有最好的均温性， 矩形和V形次之。

3.3 均热板内部流体域速度变化情况研究

从表1可以看出3种微结构槽道均热板内部流体域 均的速度变化情况较缓慢，这极有可能是因为均热板是一个无需电源、无需任何移动组件，完全密封的被动式装置。