一种基于部件流阻特性的水冷系统压力流量仿真方法

技术领域

本发明涉及水冷系统压力流量的仿真领域，具体为一种基于部件流阻特性的水冷系统压力流量仿真方法。

背景技术

牵引变流器在工作时开关器件会产生功率损耗，由于开关器件发热量大、发热密度高，通常采用水冷方案保障开关器件的散热。开关器件通常集成在功率模块中，功率模块的热损耗通过水冷基板传递到系统中的冷却液，通过水泵驱动冷却液在冷却系统管道内流动，把热量传递到散热器，同时在冷却风道内，冷却风机带动外部冷却风和散热器进行热交换。在水冷管路方案设计完成后，通常需要对管路系统做仿真，得出管路系统各处的压力分布与流过各功率模块水冷基板的冷却液流量，验证管路系统的可行性与合理性。

随着计算机技术的发展，针对比较复杂的流场问题，使用有限元法计算是一种经济可靠的方法。Fluent软件针对每一种物理问题的流动特点，都有较为适合的数值解法，具有计算速度块、稳定性高、计算精度高与收敛速度快的优点，有着较为丰富的物理模型库，能够较为精确的模拟层流与湍流等多种复杂的流动过程。配套的Fluent meshing是针对流体力学与传热学的网格划分工具，网格划分方法灵活，可以划分各种形状的非结构化网格，Fluent软件是非结构化网格的通用CFD求解器，灵活的非结构化网格划分可以适应流体场中参数变化很大、梯度变化较大的流动。

现有技术中，已有基于计算流体力学的CFD仿真技术，如ANSYS Fluent软件。其具体方案为：采用一维仿真，将管路系统各部分分段处理，根据经验公式估算出各段管路压力与流量的关系，再根据管路拓扑结构，用“路”的方法求解管路系统稳态运行时各段管路内的压力损失与各水冷基板流量分配；采用三维有限元仿真，将主管路系统与水冷基板、散热器等部件的内部流体区域做CFD仿真，得到管路系统稳态运行时管路内任一点的压力值与各水冷基板流量分配。但是该技术方案具有如下缺陷：

1）一维仿真管路压力损失计算基于经验公式，但水冷管路往往比较复杂，依靠简单的经验公式处理复杂的管路难以保证仿真计算的精度；

2）三维有限元仿真需要对包括各水冷基板与散热器内部管路的整个管路系统内流体区域建模，由于水冷基板、散热器内部流道复杂而且尺度与主管路相差较大，对于复杂管路系统的整体仿真，使用该方法会导致总网格数量巨大，增加仿真难度与工作量，对运行仿真的计算机配置要求很高，仿真所需时间长，效率较低；

3）由于商业机密等原因，水冷基板、散热器厂家往往不能提供水冷基板、散热器内部流道的三维模型，这种情况下，管路系统的三维有限元仿真会因没有准确模型而无法进行。

基于上述缺陷，需要改进现有的水冷管路设计中的仿真方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明为了解决现有的水冷系统中主管路比较复杂且没有水冷基板与散热器内部管路模型时，三维有限元法仿真分析主管路内任一点压力与各水冷基板流量分配的问题，提供了一种基于部件流阻特性的水冷系统压力流量仿真方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于部件流阻特性的水冷系统压力流量仿真方法，采用Fluent软件进行场路耦合仿真，包括如下步骤：

1）主管路系统与水冷基板等效管路建模：

根据实际管路三维模型对管路内流体区域建模，水冷基板等效管路做成与接口处直径相等的弯管，弯管两端要和主管路系统紧密连接，在弯管中设置一个或多个断面备用；

2）水冷基板等效管路替代：

在Fluent软件中将（1）中设置一个或多个断面均设定为“Porous-jump”面，即多孔压力跳跃面，其参数设定界面初始默认值为：Zone Name为软件自动命名，Phase为mixture，Face Permeability(m2)为10000000000；Porous Medium Thickness(m)为0；Pressure-Jump Coefficient (C2) (1/m)为0，Thermal Contact Resistance(m2-k/w)为0；如图1所示；

3）等效管路参数计算与设定：

将水冷基板、散热器基板厂商提供的流阻曲线进行二次多项式拟合，拟合曲线压力损失单位为Pa，流量单位为m

若等效管路截面面积为S，弯管中断面设定数量为N，流体粘滞系数为μ，流体密度为ρ，多孔介质厚度设定值为h，所有参数单位均转化为国际单位制，则表面渗透率α与阻力系数C2应按如下公式计算设定：

(1)

(2)

等效管路弯管本身也存在一定的流阻，但该阻力相比于水冷基板通常占比很小。若对仿真精度要求较高或水冷基板本身阻力系数相对较小，则可按照如下方法对上述多孔介质厚度设定值h进行修正：

先单独仿真计算等效管路部分在额定流量时的压力损失P，在流阻曲线上查得水冷基板在额定流量时的阻力P

(3)

4）整个管路系统仿真求解：

根据实际工况在Fluent中设定好管路的其余仿真边界条件与材料物理特性参数，运行仿真，当管路内压力流量随迭代步数波动很小，达到一个阈值（该阈值根据实际应用时由本领域技术人员进行选取）时，仿真完成，即可得到整个管路系统的压力分布与流量分配情况。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于部件流阻特性的水冷系统压力流量仿真方法：

1）对于管路系统中所有主管路采用三维有限元分析，可以更精确地计算形状结构比较复杂的管路内冷却液流动中的沿程压力损失，三维有限元仿真结束后可以得到主管路内任一点的压力流量，为管路系统的设计改进提供足够的数据和依据。

2）在供应商不提供水冷基板模型时，仅提供水冷基板流阻曲线仍可以完成整个管路系统的压力流量三维有限元仿真分析；

3）由于水冷基板等效管路仿真模型外特性直接来源于实测数据，主管路系统内流量压力仿真的准确性高于对水冷基板直接建模后进行有限元分析；

4）相比对传统的水冷基板建模，网格数量大幅减少，明显缩短仿真周期，大幅提高仿真效率；

5）对水冷基板以外的整个管路系统采用三维有限元仿真，可以明显提高主管路系统压力损失的计算精度，同时也提高了各模块流量分配的计算精度；

6）仿真完成后，可以通过云图观察管路系统内任一点的压力和流量，为水冷管路系统的设计选型提供详细准确的参考依据。

附图说明

图1为本发明多孔压力跳跃面设置界面。

图2为本发明的仿真过程流程图。

图3为本发明的水冷管路系统模型。

图4为本发明的水冷管路系统模型等效图。

图5 为管路压力云图与流量(L/min)分布示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所描述的仿真任务与工况如下：

(a) 给定某变流柜水冷管路系统模型如图3所示（水冷基板与散热器模型内部无详细模型）；

(b) 已知水冷散热器、水冷基板的冷却液流阻特性实测曲线；

(c) 已知水泵的流量扬程曲线、冷却液粘度系数与密度等物理特性参数；

(d) 通过仿真要得出水冷主管路内压力分布与各水冷散热器、水冷基板的流量分配。

本实施例模型处理与参数设置方法如下：

水冷管路简化模型部件与部件指引图如图4所示，该模型在工程模型的基础上进行必要简化与修改，以使其满足CFD分析要求。对水冷基板、散热器、环控装置分别用流阻很低的弯管等效替代（图中箭头指向的部分）。

在弯管中间部位增加一个无厚度面（箭头指向的部分中间的黑色线条），该无厚度面设定为多孔-压力跳跃边界条件；所有多孔-压力跳跃参数均按照以下步骤与方法来设定α、h、C2值，使得该段管路具有与原部件相同的流阻曲线，步骤流程图如图2所示，具体步骤如下：

1）主管路系统与水冷基板等效管路建模：

根据实际管路三维模型对管路内流体区域建模，水冷基板等效管路做成与接口处直径相等的弯管，弯管两端要和主管路系统紧密连接，在弯管中设置一个断面备用；

2）水冷基板等效管路替代：

在Fluent软件中将（1）中设置的断面设定为“Porous-jump”面，即多孔压力跳跃面，其参数设定界面初始默认值为：Zone Name为软件自动命名，Phase为mixture，FacePermeability(m2)为10000000000；Porous Medium Thickness(m)为0；Pressure-JumpCoefficient (C2) (1/m)为0，Thermal Contact Resistance(m2-k/w)为0；如图1所示；

3）等效管路参数计算与设定：

将水冷基板、散热器基板厂商提供的流阻曲线进行二次多项式拟合，拟合曲线压力损失单位为Pa，流量单位为m

若等效管路截面面积为S，弯管中断面设定数量为N，流体粘滞系数为μ，流体密度为ρ，多孔介质厚度设定值为h，所有参数单位均转化为国际单位制，则表面渗透率α与阻力系数C2应按如下公式计算设定：

(1)

(2)

考虑到等效管路弯管本身也存在一定的流阻，为了提高仿真精度对多孔介质厚度设定值h进行修正：

先按照上述方法单独仿真计算等效管路部分在额定流量时的压力损失P，在流阻曲线上查得水冷基板在额定流量时的阻力P

(3)

4）整个管路系统仿真求解：

根据实际工况在Fluent中设定好管路的剩余仿真边界条件与材料物理特性参数，运行仿真，当管路内压力流量随迭代步数波动很小，达到一个阈值时，仿真完成，即可得到整个管路系统的压力分布与流量分配情况。

本实施例仿真边界条件设定如下：

水泵进水口设定为压力出口，表压为0；水泵出水口设定为速度入口，流速根据仿真结果与水泵曲线比较确定（通过多次仿真迭代逼近曲线）仿真结束后得到的管路压力云图与流量分布示意图如图5所示。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。