赵亮，吴波，文雯，张丰华

（西安航空计算技术研究所，西安 710068）

0 引言

机载电子系统性能不断提高，高功耗、高热流密度芯片大量采用，新型机载电子设备质量、体积不断减小，传统散热方式已无法满足散热需求，矛盾十分突出。超轻多孔金属材料由于其多孔网状结构，扰流作用更加明显，换热性能更高。但其流阻相比于机载电子设备传统直齿多孔翅片高出数倍。本文提出超轻多孔金属材料梯度结构，建立数值仿真模型，通过数值仿真计算，研究超轻多孔金属材料梯度结构换热性能和流阻特性，为超轻多孔金属材料结构优化及在机载散热领域的运用奠定基础。

1 超轻多孔金属材料换热

由于传统翅片散热材料成本低、安装方便，已经在机载电子产品散热中得到了广泛应用。为了强化其传热性能，通常采用增加翅片数量来扩展翅片面积；或者改变肋片形状和加入扰流元件，以破坏流体边界层而增强流体扰动，从而强化换热。传统肋片散热材料的换热性能已不能满足日益提高的机载电子产品散热要求。超轻多孔金属作为一种多孔介质材料能够有效强化传热，已经在国外文献中得到了验证[1]。

美国利用超轻多孔金属材料结构的高导热系数和高比表面积，直接作为强制对流的传热表面，开发出航天器紧凑型换热器[2]。图1为NASA设计的航天器紧凑型换热器外形及其内部填充的开孔多孔铝。

图1 内部填充多孔金属铝的航天器紧凑型换热器

马里兰大学与三星公司电子中心合作，开展了超轻多孔金属铜的换热性能研究，分别针对95%孔隙率10 ppi，95%孔隙率20 ppi，92%孔隙率20 ppi的超轻多孔金属铜在长37 mm、宽10 mm、深7 mm的通道内进行了换热实验研究，最终表明超轻多孔金属具有良好的增强换热的效果[3]，如图2所示。

图2 三星公司超轻多孔金属铜试验测试

2 超轻多孔金属材料梯度结构

超轻多孔金属材料良好的对流换热性能和较差的阻力性能是一对矛盾，如何既发挥超轻多孔金属的换热性能，又降低其流动阻力是超轻多孔金属材料换热结构优化的目标。

超轻多孔金属材料作为换热结构，现有文献多为均匀多孔结构，即超轻多孔金属结构内孔洞分布在宏观上是均匀分布结构。本文提出一种梯度超轻多孔金属结构，梯度结构的超轻多孔金属材料具有非均匀孔隙结构，可实现多孔材料高导热、低流阻要求，大幅提高机载电子系统换热能力。热流在机载电子系统散热结构中的传导及对流路径如图3所示，梯度结构靠近底部热流的孔密度高，可有效提高导热能力，使热流更快地向远端传导，提高换热效率。在远端通过低孔密度多孔金属降低流体阻力。达到既发挥多孔金属换热性能优势，又避免流阻过大劣势的目的。

图3 梯度多孔金属示意

3 超轻多孔金属材料梯度结构数值仿真模型

超轻多孔金属材料结构孔隙率直接影响多孔金属的质量，目前超轻多孔金属最高孔隙率为95%，即相同材质时95%孔隙率多孔金属相比其它空隙率为最轻结构，20 ppi多孔金属胞径为2.1 mm，10 ppi多孔金属的胞径为4.2 mm，20 ppi与10 ppi的当量胞径尺寸适合机载电子设备，故研究95%孔隙率、孔密度为20 ppi和10 ppi组合的梯度多孔金属。将20 ppi高孔密度的多孔金属靠近热流面可以更有效地传导热量，热量可以更快地向远端传导，有利于换热。将10 ppi的低孔密度多孔金属布置在热流远端可以增大孔径，降低流阻。20 ppi的当量直径为2.1 mm，10 ppi的当量直径为4.2 mm，在建立梯度模型时底部至少有一层完整的20 ppi多孔金属其最小厚度为2.1 mm，顶部至少有一层完整的10 ppi多孔金属结构，其厚度为4.2 mm。多孔金属换热结构的高度为10 mm，20 ppi多孔金属的高度变化范围在21%～58%。分别建立20 ppi多孔金属21%梯度结构（模型命名为TD21,下同)、30%梯度结构（TD30）、40%梯度结构（TD40）、50%梯度结构（TD50）、58%梯度结构（TD58），如图4所示。

图4 20ppi多孔金属21%、30%、40%、50%、58%梯度结构

4 超轻多孔金属材料梯度结构换热性能仿真

对上述不同梯度结构模型进行换热性能数值仿真分析，20 ppi多孔金属50%仿真模型如图5所示。

图5 20ppi多孔金属50%梯度结构仿真模型

20 ppi多孔金属50%梯度多孔金属温度场如图6所示。20 ppi 多孔金属50%梯度多孔金属静压场如图7所示。

图6 50%梯度多孔金属温度场

图7 50%梯度多孔金属静压场

通过换热性能仿真得到了不同梯度结构时底面温度T随热流密度q的变化曲线如图8所示。随着热流密度的升高，多孔金属底面温度值逐渐升高。58%和50%梯度结构底面温度相对其它梯度结构底面温度更低。可以看出20 ppi 多孔金属比例 大 于50%时，梯度多孔金属换热更有优势。

图8 梯度多孔金属底面温度变化趋势

通过换热性能仿真得到了不同梯度结构时压差ΔP随热流密度q的变化曲线如图9所示。随着热流密度的升高，多孔金属压差值逐渐升高。随着20 ppi多孔金属所占比例的增加，压差逐渐增加。可以看出58%和50%梯度结构底面温度相对其它梯度结构压差更高，但大幅低于20 ppi均匀多孔金属。

图9 梯度多孔金属压差变化趋势

填充梯度多孔金属对换热性能和流动的影响规律如图10和图11所示。由图可知，当填充梯度多孔金属时，与填充单一孔密度多孔金属类似，Nu也随着Re的增加而增加，阻力系数f随着Re的递增而下降。

图10 梯度多孔金属换热性能

图11 梯度多孔金属阻力性能

20 ppi多孔金属梯度比例从21%到58%变化时，20 ppi多孔金属所占比例为58%时其努塞尔数最高，换热性能最优。其主要原因在于20 ppi 所占比例的增加，增加了热量向上传导的路径，增大了换热面积，同时孔径更小增强了扰流作用。

20 ppi多孔金属梯度比例从21%到58%变化时，20 ppi多孔金属所占比例为58%时其阻力系数f最高，阻力大于其它梯度金属，但较20 ppi均匀多孔金属阻力系数大幅降低。其主要原因在于10 ppi多孔金属孔径更大，增加了气流的通过截面，流动阻力更小，达到了降低系统阻力的目的。

引用换热与阻力的综合性能因子i=(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3来表征梯度多孔金属对流换热的综合性能[4]，其中下标0代表空气直接流过空槽时的理论值。综合性能因子i如图12所示，可以得到以下结论：1）10 ppi均匀多孔金属、20 ppi均匀多孔金属、梯度多孔金属综合性能因子呈现“高跟鞋”状态。当填充梯度多孔金属时，与填充单一孔密度多孔金属类似，在279＜Re＜418时范围内出现综合性能因子高点，综合性能最优。2）当雷诺数Re＜418时，10 ppi均匀多孔金属综合性能最优。3）当雷诺数418＜Re＜942时，20 ppi均匀多孔金属综合性能最优。4）当雷诺数Re＞942时，50%梯度结构多孔金属综合性能最优。

图12 梯度多孔金属综合性能因子i

5 结论

通过对超轻多孔金属材料梯度结构换热性能的数值仿真研究可以看出，超轻多孔金属材料梯度结构保留了多孔金属换热性能优势的同时降低了系统阻力，解决了填充多孔金属后虽然具有良好的换热性能但压降较大的问题，更具有优势，更适应替代传统翅片结构，更有利于机载电子设备散热。通过合理设计多孔金属梯度结构，能够在强化换热的基础上，有效地降低系统流动阻力，从而得到较好的综合评价性能。