基于响应面的车用功率模块Pin-Fin优化设计

集成Pin-Fin散热器可以降低功率模块的结-流热阻,提升车用电机控制器的功率密度和可靠性,是车用功率模块先进热管理技术的发展趋势。然而,Pin-Fin散热器的设计面临电-热-流多物理场耦合的挑战,难于解析表征与定量优化,设计的周期长、成本高。基于响应面优化方法,该文提出一种集成Pin-Fin散热器的模型化设计方法,建立集成Pin-Fin形貌结构与阵列排布的数学描述,给出Pin-Fin散热器热-流性能的理论模型,建立Pin-Fin的多目标优化模型,获得Pin-Fin散热器结构的最优设计。为了验证理论模型和优化设计的可行性和有效性,搭建面对面变流器对拖实验平台,对标商业化车用功率模块的Pin-Fin设计,采用大量固定工况,以及实际车用工况实验结果,对比验证优化后的Pin-Fin能降低车用功率模块7.62%的结-流热阻,减小65%的功率模块损伤,提升车用电机控制器寿命1.8倍,为车用功率模块低热阻集成Pin-Fin散热器提供新的研究思路。

基于拓扑优化的车用功率模块Pin-Fin设计方法

集成Pin-Fin散热器可以降低功率模块的结-流热阻,是车用电机控制器热管理的发展趋势。然而,传统参数设计方法无法定量表征Pin-Fin的形貌结构,设计自由度低、设计效果欠佳,难以实现Pin-Fin的热-流协同设计。基于变密度拓扑优化方法,该文提出一种Pin-Fin形貌结构的设计方法,建立Pin-Fin设计的变密度拓扑优化模型,分析模型参数对优化结果和收敛性的影响规律,形成以结-流热阻和冷却液压降为目标的协同优化方法,探索Pin-Fin结构的热-流耦合规律和强化换热方法,得到最优的Pin-Fin散热器形貌结构,搭建变流器实验平台和车用电机控制器样机,对标商业化圆形Pin-Fin结构,以及三角形、菱形和水滴形等其他形貌结构,计及母线电压、负荷电流和冷却液流量的影响,实验结果验证了所提模型方法的可行性和有效性。实验结果表明:基于拓扑优化方法设计的Pin-Fin结构,与传统结构相比可以降低12%的结-流热阻,消除了多芯片结温差异的80%,为车用功率模块和电机控制器研究提供新的思路。

Numerical investigation on thermal properties of micro-pin-fin cooler

Micro-pin-fin cooler mounted on the power chip enables the heat removal to meet modern microsystem requirement. Carbon nanotubes （CNTs） have been proven as a potential material for micro-coolers due to the superior thermal conductivity, good mechanical property and so forth, and there appear various applications of CNTs in the micro-cooler technology. In the present paper, an analysis of the thermal and hydraulic characteristics of the micro-pin-fin heat sink was conducted, where air was used as the cooling medium and an impinging jet was introduced to enhance the heat transfer. Three-dimension computational fluid dynamics （CFD） simulations were carried out for micro-pin-fin coolers with various parameters, including the pin-fin size and pattern as well as the jet velocity and nozzle diameter. The flow field and thermal properties of the. micro-pin-fin heat sink were obtained, and the heat removal efficiency was evaluated.

Three Dimensional Numerical Investigation on the Effect of Wedge Angle of a Passage with Pin-fin Arrays

Heat transfer in passage with pin-fin arrays for cooling blade trailing edge was studied numerically. Three-dimensional numerical simulations were carried out for steady laminar flow in passages with different wedge angles between pressure surface and suction surface of cooling blade trailing edge to study the effect of different wedge angles (from 0°to 30°) on heat transfer and pressure losses. Research was carried out for both in-line array and staggered array. From this investigation, wedge angle 10°gives the best heat transfer performance.

应用不同深度学习代理模型的灯笼型扰流柱通道换热性能分布预测方法比较

为提高对灯笼型扰流柱通道端壁面的换热分布预测能力,构建并比较了几种深度学习代理模型的预测性能。应用数据驱动的思想,建立了多项式响应面模型(RSM)、径向基函数模型(RBF)、径向基神经网络模型(RBFNN)、Kriging模型和总体平均近似模型(Ensemble)共5种传统代理模型以及5种基于生成对抗网络的深度学习代理模型,包括有残差网络的pix2pix模型、pix2pixHD模型、CycleGAN模型、StarGAN模型以及单一无残差网络的pix2pix模型,以扰流柱截面参数为设计变量,通过拉丁超立方抽样分别得到了样本数为50、25、12、6和3的训练集,并根据扰流柱尾迹高换热区分布特点,将训练样本数为50的数据集分为宽样本数据集和窄样本数据集,比较了不同代理模型对端壁面换热性能的预测精度、计算成本和泛化能力。结果表明:有残差网络的pix2pix模型相比于无残差网络的pix2pix模型,预测精度得到有效提高,在样本数为50的情况下,面平均值预测误差从0.68%降低到0.32%,平均相对误差从6.89%降低到6.41%,而且当训练样本数减少时,有残差网络的模型预测能力更加突出;传统代理模型的时间成本可忽略不计,但深度学习模型的单卡训练时间较长,且增加残差网络后的模型计算成本更高;当训练样本数为50时,传统代理模型和深度学习模型之间预测精度差异不大;当训练样本数逐渐减少时,深度学习代理模型展示出更高的预测精度和泛化能力;Kriging模型虽然泛化能力强,但是预测结果趋同;RSM模型、RBF模型和Ensemble模型泛化能力最差,训练样本数较少时,预测结果严重失真。可见在换热性能预测方面,深度学习模型在预测精度与泛化能力上均有显著优势,尤其适合于小样本问题,对提高灯笼型扰流柱截面设计效率具有参考价值。

带扰流柱阵的双层壁间隙冲击传热特性

数值模拟研究了带扰流柱阵的双层壁结构间隙靶面、冲击面以及不同位置扰流柱面努塞尔数详细分布,分析了各个表面努塞尔数平均值随冲击雷诺数的变化规律以及不同位置扰流柱面换热特性差别。结果表明,靶面努赛尔数的第二峰值大于滞止点处的努赛尔数。冲击面展向平均努赛尔数最大值位于靠近冲击孔的第2排和第4排扰流柱处。在5排扰流柱中,与冲击孔处于同一排(第3排)的扰流柱面平均努塞尔数最大,表现为翻卷汇流传热特性;第2排和第4排扰流柱面平均努塞尔数次之,表现为翻卷绕流传热特性。远离冲击孔的第1排和第5排扰流柱面平均努塞尔数最小,表现为绕流传热特性。冲击雷诺数从1×104增加到6×104,第3排扰流柱面和第2、4排扰流柱面以及第1、5排扰流柱面努塞尔数增幅分别为306%、325%和360%。

电力电子器件用液冷针翅散热器的研究进展

随着大功率电力电子器件(如绝缘栅双极型晶体管,IGBT)轻量化、小型化和集成化的发展需求,其功率密度越来越大,导致其热流密度越来越高,亟需高效散热来满足其使用要求。传统空气冷却散热器结构简单、使用方便,但是散热能力较低,难以满足高热流密度的散热需求,目前主要采用液体冷却散热器,其中液冷针翅散热器是最常用的高效散热器。本文介绍了液冷针翅散热器的结构、液体工质、材料和制造等方面的研究进展,重点分析了液冷针翅散热器的流体通道结构、针翅结构对流动和传热性能的影响,并给出了液冷针翅散热器的发展建议。

基于神经网络和人工鱼群算法的惯性延时微通道优化

为了保证中、小口径弹引信的炮口安全性控制要求,设计了具有肋板阻尼结构的惯性延时微通道,同时为了保证其具有稳定的延时性能,研究了该微通道在高离心转速下的延时响应性能。采用了神经网络模型和人工鱼群算法对蛇形微通道内肋板的结构位置进行优化设计。用两相流水平集模型以微通道的延迟时间为研究对象进行了模拟仿真,得到180组样本数据,分析发现肋板结构在微通道内的不同位置与延迟时间呈现出高度的非线性关系。根据样本数据建立神经网络模型用以拟合设计变量与优化目标之间的映射函数,并采用人工鱼群算法对神经网络模型拟合的映射函数的参数进行优化。结果表明,经过结构优化之后,在1 000 g离心环境下微通道中流体的延迟时间从最短的11.446 ms提升到了25.054 ms,延时效果得到了显著提升。最后研究了优化后的结构在中、小口径弹引信使用环境下的延时特性,验证了其满足大部分中、小口径弹引信的延时控制要求。

针翅式散热器模块流动传热特性数值优化

为提升中高温电子器件的散热性能,以针翅式散热器模块为研究对象,研究了热管长度、散热器宽度、针翅直径、针翅间距和针翅高度5个结构参数对翅片散热性能的影响,对正交实验设计的16个组合方案下翅片的流动换热性能进行模拟。以努塞尔数Nu、阻力系数f、传热性能综合评价指标(performance evaluation criteria,PEC)和全因子评价Y作为评价指标,在每个评价指标下利用极差分析主要影响因素和挑选出优化组合。结果表明:影响Nu、f、PEC和Y的最主要因素是针翅间距;最佳优化组合为:针翅间距为2.5 mm,散热器宽度为80 mm,针翅直径为1.5 mm,针翅高度为20 mm,热管长度为25 mm,模块温降为16.28℃,热阻为0.265℃/W。

多孔针肋阵列结构流动沸腾换热特性实验研究

高热流下微通道流动沸腾不稳定性易导致沸腾极限的提前发生。为进一步提升性能,此研究针对改进的烧结针肋阵列结构,以去离子水为工质,进行过冷流动沸腾换热实验对比研究,进口水温维持在60℃,针肋结构采用30、90与150μm球形铜粉烧结而成。研究发现:颗粒尺寸对针肋结构内流动沸腾的换热系数和临界热流密度q_(CHF)有显著影响,在质量通量为52 kg·m^(-2)·s^(-1)下,150μm粒径样品综合性能最优,高热流时壁面过热度相对最低,q_(CHF)可达到134W·cm^(-2)。可视化研究发现:较大粒径样品具有较低的压力幅值并且压力脉动曲线更为有序,从而提升微通道的沸腾换热性能;增加质量通量可使干湿区域分界线后移,保证后半段的充分供液,可大大降低流动沸腾的不稳定性。结果表明烧结针肋阵列结构在提升流动沸腾性能方面具有极佳的潜力。

低温粮食储存用蓄冷冰球传热性能强化研究

基于蓄冷冰球的冰蓄冷是一种封装式的高效蓄冷技术,可以起到“削峰填谷”的作用,在减少能耗的情况下实现粮食的高效储存。本文基于enthalpy-porosity方法对内置了分叉针肋的蓄冷冰球装置进行数值模拟研究,分析了典型的蓄冰过程,明确了肋片对蓄冷冰球装置的必要性。进一步分析了肋片长度比a对蓄冰过程中的温度响应、蓄冰完成时间和蓄冷量的影响,从而为内置分叉针肋的蓄冰装置的设计明确了方向。

电动汽车用水冷散热器的设计及仿真

IGBT是电动汽车用功率组件中的关键器件,因发热量大,其散热的好坏直接影响整车的可靠性;同时功率组件小型化、集成化的发展趋势,使得IGBT散热器的尺寸须严格控制。文章介绍了一种针肋式(PIN-FIN)水冷散热器的设计过程,并应用ICEPAK热分析软件对散热器的三维流场、温度场进行了仿真分析。结果表明,使用PIN-FIN冷板不仅能很好地满足IGBT的散热需求,而且大大减小了冷板的尺寸。

不同截面形状微肋片内流动阻力特性

以去离子水为工质,实验研究了横截面形状为圆形、椭圆及菱形的叉排微肋片组成的流道内的流动阻力特性。结果表明,3种形状肋片流道内压降随流量增大而增大。受微/小尺度下层流边界层的影响,流量较低时微肋形状对流动影响较弱,椭圆形肋片与菱形肋片内压降几乎相同,而圆形截面肋片内由于流动距离较长导致流动阻力最大;当流量较大时,椭圆形肋片内压降最小。Re较小时,长短轴一致的菱形肋片内的流动阻力系数f比椭圆形肋片略低,但在Re较高时,椭圆形肋片内的f值仍然最低。研究还表明,在现有各种关联式中,只有菱形微肋片关联计算值与本实验值较吻合。

变流向梯形通道内短扰流柱排的流量分配实验

为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的流动情况,对叶片内流工程计算程序进行验证,针对气流90°转弯全部从弦向流出的情况,通过实验测量了梯形通道短扰流柱排的端壁静压分布,以及各段弦向出流量沿叶片径向的变化。实验结果表明:(1)静压变化主要发生在弦向,尤其是在弦向出口附近静压变化剧烈,而沿径向静压变化不大。(2)在所研究的R e数范围内,靠近叶片根部和尖部的流量较大,而叶片中部的流量较小。(3)弦向出流量沿叶片径向的变化不超过30%。实验结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值。

长菱形微针肋热沉的流动与换热特性

加工硅基长菱形微针肋热沉,并对其流动与换热性能进行试验研究和数值模拟。结果表明:在试验雷诺数Re范围内,长菱形针肋的换热系数随Re的增大而增大。雷诺数相同时,热流密度对换热系数的影响较小。热阻随泵功的增加不断降低;在泵功较小时,热阻降低的速度较快;当泵功增大到一定值时,热阻的变化趋于平缓。在一定的泵功下不同热流密度之间的总热阻没有太大的区别。努塞尔数Nu随Re增大而增大。与同样尺寸圆形、菱形针肋相比,长菱形针肋具有较好的换热性能,可以避免针肋尾部涡脱落造成的阻力损耗,同时长菱形针肋尾部延伸拓展了换热面积并扩大了固体导热区,从而提高换热效果。

扰流柱直径对倾斜出气孔层板内流动和换热影响的数值研究

用数值模拟的方法,研究了倾斜出气孔层板结构最小单元体内扰流柱直径对于层板内流阻和换热的影响.采用了非结构化网格,并对气流转角较大区域做了局部加密;选择k-ε湍流模型方程,配以壁面函数率,求解稳态无旋转的层板;采用了流体域与固体域耦合求解法计算耦合换热.给出了计算结果并分析了流动和换热情况.研究结果表明适当增加扰流柱直径有利于降低流阻、提高冷却效率.

短扰流柱排端壁的平均换热实验

为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的端壁换热情况,针对梯形通道高稠度短扰流柱排,沿着弦向和径向都有出流或只沿径向出流的情况,通过实验测量了端壁换热分布,研究了弦向出流比(0.25～1)和弦向出流雷诺数(3×104～9×104)对端壁换热的影响。实验结果表明:(1)端壁平均努塞尔数随着雷诺数增加而增加,随着出流比的增加先下降,出流比从0.75到1平均努塞尔数又略增加。(2)不同出流比情况下,沿着弦向和径向努塞尔数的变化具有不同的规律。

三维整体针翅强化传热管的传热和压降性能研究与比较

在概述国外三维针翅管的基础上介绍了作者的实验研究结果 ,并与Q .Liao等人的 14种管结果比较 。

扰流柱对叶片尾缘对流换热特性的影响

为了研究扰流柱对涡轮叶片尾缘对流换热特性的影响规律,设计了4种不同结构的扰流柱,采用红外热像仪分别对不同形状和排列方式的扰流柱对叶片尾缘气膜冷却特性的影响规律进行了实验研究.研究结果表明,在吹风比较低时,水滴I型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好;吹风比较大时,圆柱型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好,水滴Ⅱ型扰流柱叶片尾缘的对流换热系数最小.

液晶瞬态技术测量带侧向流扰流柱通道端壁换热

采用热色液晶瞬态测量技术测量带侧向流扰流柱通道端壁全表面换热系数的分布，研究了侧流比及雷诺数对换热的影响，其中，侧流比为0．25～1．0，雷诺数为3×10^4～9×10^4。结果表明：（1）侧流比对扰流柱通道的流动形态及端壁换热有重要影响；（2）存在一个临界侧流比，在临界侧流比以下，流动形态沿主流方向呈错排流状态；在临界侧流比以上，流动形态沿侧流方向呈错排流状态；在临界侧流比附近，流动为顺排流动状态，方向在主流和侧流方向之间；（3）侧流比较小或较大时，扰流柱通道端壁换热较强；在临界侧流比附近，换热相对较弱。