液冷散熱器的冷卻液在不同乙二醇濃度和溫度下的流阻特性研究

液冷散熱器的冷卻液在不同乙二醇濃度和溫度下的流阻特性研究

引言液冷散熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊，散熱能力強(qiáng)，熱均勻性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到大功率電力電子設(shè)備上。當(dāng)冷卻液在液冷散熱器流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，因各流體微團(tuán)或流層之間以及流體與管壁之間的摩擦引起的壓力損失，稱為流阻。流阻是液冷散熱器的重要參數(shù)之一，影響到熱管理系統(tǒng)正常工作。當(dāng)液冷散熱器流阻過大時(shí)，對(duì)應(yīng)的泵的揚(yáng)程要求高，系統(tǒng)的工作壓力大；當(dāng)流阻過小時(shí)，并聯(lián)的液冷散熱器容易出現(xiàn)流量分布不均，引起散熱性能不一致。因此液冷散熱器的流阻需控制在要求的范圍內(nèi)。流阻主要分為沿程阻力和局部阻力。

風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)電變流器機(jī)柜

祥博傳熱風(fēng)電變流器專用液冷散熱器01PART沿程阻力沿程阻力主要為流體在直線流動(dòng)過程中，流體層與流體層之間以及流體與流道壁面之間摩擦所引起的壓力損失。沿程阻力可以由達(dá)西-魏斯巴赫公式計(jì)算。

式中：λ——沿程損失系數(shù)，無量綱；l——流道長(zhǎng)度，m；d——管徑，m；v——平均速度，m/s；g——重力加速度，m/s2。由上式可以看出，沿程阻力與流道的長(zhǎng)度和流速的平方成正比關(guān)系，與管徑成反比關(guān)系。

圖1沿程阻力引起流速分布不同02PART局部阻力冷卻液在流道內(nèi)流經(jīng)各種局部障礙（如閥門，彎頭，變截面管等）時(shí)，由于冷卻液的流動(dòng)變形、方向變化、速度重新分布等，在管內(nèi)局部范圍產(chǎn)生漩渦，在流體微團(tuán)間發(fā)生碰撞而引起的壓力變化稱為局部阻力。總而言之，局部阻力就是當(dāng)管道內(nèi)管徑，方向發(fā)生變化時(shí)所引起的壓力損失。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，近似地認(rèn)為局部阻力集中在管道的某一橫截面上。局部阻力可由下述公式計(jì)算

式中：ξ——局部損失系數(shù)，無量綱。由上式可以看出，局部阻力受局部損失系數(shù)和流體的平均速度影響。

圖2

局部阻力損失示意圖03PART沿程阻力求解層流狀態(tài)：流體在流動(dòng)狀態(tài)可以被簡(jiǎn)單分成層流流動(dòng)和湍流流動(dòng)。層流流動(dòng)是穩(wěn)定的，流層與流層之間不發(fā)生摻混。湍流是雜亂無章的，流體微團(tuán)之間會(huì)發(fā)生明顯的不規(guī)則脈動(dòng)。流體的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)對(duì)流阻產(chǎn)生較大的影響。

層流狀態(tài)下沿程阻力系數(shù)可由理論推導(dǎo)公式計(jì)算

式中：Re——雷諾數(shù)，無量綱。湍流狀態(tài)：在流體運(yùn)動(dòng)過程中，緊貼壁面處有一層很薄的流體，由于受到管壁的約束作用，這一層流體仍能保持層流狀態(tài)，成為黏性底層，這一薄層厚度極小，通常為幾分之一毫米。黏性底層厚度可由下式計(jì)算

圖3

速度分布隨雷諾數(shù)的影響而因黏性底層厚度的變化，管壁表面的粗糙度ε便會(huì)對(duì)沿程阻力產(chǎn)生影響。管壁表面粗糙凸出部分的平均高度ε叫做管壁的絕對(duì)粗糙度。因此，對(duì)黏性底層厚度與粗糙度的大小進(jìn)行分析。01當(dāng)δ>ε時(shí)，管壁的粗糙突出部分完全淹沒在黏性底層中，其他湍流區(qū)域不受管壁粗糙度的影響，流體好像在完全光滑管中流動(dòng)，這種情況的管內(nèi)湍流流動(dòng)稱為“水力光滑管”。如圖4（a）。02當(dāng)δ<ε時(shí)，管壁的粗糙突出部分有部分被暴露在湍流區(qū)域中，從而對(duì)湍流流動(dòng)產(chǎn)生影響。這種情況的管內(nèi)湍流流動(dòng)稱為“水力粗糙管”。如圖4（b）。

圖4

黏性底層厚度與管壁粗糙度的兩種情況因此，對(duì)于這兩種不同的狀況，要計(jì)算管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)屬于哪一種來計(jì)算沿程阻力系數(shù)。經(jīng)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)修正后可得水力光滑管和水力粗糙度的沿程損失系數(shù)公式。

由此，可以由式（4）和粗糙度ε的大小對(duì)比來選擇使用式（5）還是式（6）來計(jì)算沿程損失系數(shù)λ，最后聯(lián)系式（1）計(jì)算沿程阻力。

圖5

沿程阻力計(jì)算示意圖04PART局部阻力求解

局部阻力由冷卻液在流道中經(jīng)過的局部障礙組成，局部障礙非常多樣。通過選取合適的局部損失系數(shù)再結(jié)合式（2），可以求解局部阻力損失。表1局部損失系數(shù)選取表

05PART液冷散熱器阻力計(jì)算

在掌握了流阻計(jì)算的方法之后，通過理論計(jì)算一個(gè)簡(jiǎn)單的蛇形流道液冷散熱器的阻力損失，同時(shí)可以用于不同濃度的溶液對(duì)流阻影響的研究。液冷散熱器流道結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如下表：

圖6

蛇形流道液冷散熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖表2

蛇形流道液冷散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

首先選擇水作為冷卻液進(jìn)行阻力損失的計(jì)算，這里取60℃的水的物性參數(shù)。表3

水在60℃時(shí)的物性參數(shù)

沿程阻力損失可由上述物性參數(shù)及流道參數(shù)計(jì)算。局部阻力損失則需要考慮到局部障礙類型和數(shù)量，選取的蛇形流道中共有10個(gè)90°的彎管組成，查詢表1來計(jì)算彎管的局部損失系數(shù)再由上述物性參數(shù)即可計(jì)算總阻力損失。總損失為17571.5Pa。06PART在不同濃度下的流阻特性研究

在液冷散熱器結(jié)構(gòu)相同的情況下，分析不同濃度的乙二醇冷卻液的流阻，有助于了解濃度變化對(duì)散熱器流阻的影響。液冷散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)參照上一小節(jié)中表2，分析純水，30%乙二醇溶液、50%乙二醇溶液和70%乙二醇溶液在定流量條件下，濃度變化對(duì)流阻的影響。下面列出4種流體在60°時(shí)的物性參數(shù)及計(jì)算的阻力損失。表4不同濃度乙二醇溶液在60℃時(shí)的物性參數(shù)表

表5

不同濃度乙二醇溶液在60℃時(shí)的阻力損失

圖7

乙二醇濃度變化對(duì)流阻的影響

圖8

乙二醇濃度變化對(duì)雷諾數(shù)和粘度的影響

通過對(duì)不同濃度乙二醇溶液的阻力損失和乙二醇濃度變化對(duì)粘度的影響分析可以發(fā)現(xiàn)。在確定流速和溫度的條件下，流阻會(huì)隨著乙二醇溶液濃度的增加而增加。其中沿程阻力損失的增長(zhǎng)速度比局部阻力損失的增長(zhǎng)速度要快，總阻力損失的增加主要來源于沿程阻力損失。為了探究沿程阻力損失增大的原因，由圖7可見，隨著乙二醇溶液濃度的增加，冷卻液的黏性增大，導(dǎo)致雷諾數(shù)的減小，從而導(dǎo)致沿程損失系數(shù)的減小，最終使流阻增加。

由此可得以下結(jié)論：在同溫同流速的條件下，流阻會(huì)隨著乙二醇溶液濃度的增加而增加。在冰點(diǎn)滿足工作環(huán)境的條件下，選擇較低濃度的乙二醇溶液有助于降低流阻，節(jié)約成本。07PART在不同溫度下的流阻特性研究上一小節(jié)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)粘度會(huì)對(duì)沿程阻力損失產(chǎn)生較大的影響，而溫度又會(huì)對(duì)粘度產(chǎn)生影響。本小節(jié)探討了水和50%乙二醇溶液分別在20℃，40℃，60℃和80℃時(shí)的流阻變化。兩種流體的物性參數(shù)及流阻見下表。表6

水在不同溫度時(shí)的物性參數(shù)及阻力損失

表7

50%乙二醇溶液在不同溫度時(shí)的物性參數(shù)及阻力損失

圖9

水在不同溫度下的流阻變化

圖10

50%乙二醇溶液在不同溫度下的流阻變化通過探討水和50%乙二醇溶液溫度變化對(duì)流阻的影響，可以發(fā)現(xiàn)。隨著流體溫度的增加，粘度逐漸降低。上一節(jié)發(fā)現(xiàn)粘度降低導(dǎo)致流阻降低。因此，流阻會(huì)隨著乙二醇溶液溫度的上升而減小。

由此可得以下結(jié)論：隨著溫度的上升，乙二醇溶液的溫度逐漸降低，流阻也隨之降低。在合適的溫度區(qū)間工作時(shí)有助于降低流阻，減少泵功損耗。結(jié)論

1.阻力損失的主要由沿程阻力損失和局部阻力損失組成。沿程阻力損失主要受流體的粘度、流道長(zhǎng)度、管徑的影響。局部阻力損失主要受局部障礙類型影響。

2.沿程阻力損失需要考慮流體的流動(dòng)狀態(tài)。層流、水力光滑管和水力粗糙管需要分別采用不同的公式來計(jì)算沿程損失系數(shù)。局部阻力損失主要參考局部障礙類型來計(jì)算局部損失系數(shù)。

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