引言 液冷散热器具有结构紧凑，散热能力强，热均匀性好等特点，被广泛应用到大功率电力电子设备上。当冷却液在液冷散热器流道内流动时，因各流体微团或流层之间以及流体与管壁之间的摩擦引起的压力损失，称为流阻。流阻是液冷散热器的重要参数之一，影响到热管理系统正常工作。当液冷散热器流阻过大时，对应的泵的扬程要求高，系统的工作压力大；当流阻过小时，并联的液冷散热器容易出现流量分布不均，引起散热性能不一致。因此液冷散热器的流阻需控制在要求的范围内。 流阻主要分为沿程阻力和局部阻力。 风力发电 风电变流器机柜 祥博传热风电变流器专用液冷散热器 沿程阻力 沿程阻力主要为流体在直线流动过程中，流体层与流体层之间以及流体与流道壁面之间摩擦所引起的压力损失。沿程阻力可以由达西-魏斯巴赫公式计算。
式中：
λ——沿程损失系数，无量纲；
l——流道长度，m；
d——管径，m；
v——平均速度，m/s；
g——重力加速度，m/s2。
由上式可以看出，沿程阻力与流道的长度和流速的平方成正比关系，与管径成反比关系。
图1 沿程阻力引起流速分布不同
局部阻力
冷却液在流道内流经各种局部障碍（如阀门，弯头，变截面管等）时，由于冷却液的流动变形、方向变化、速度重新分布等，在管内局部范围产生漩涡，在流体微团间发生碰撞而引起的压力变化称为局部阻力。总而言之，局部阻力就是当管道内管径，方向发生变化时所引起的压力损失。为了简化计算，近似地认为局部阻力集中在管道的某一横截面上。局部阻力可由下述公式计算
式中：
ξ——局部损失系数，无量纲。
由上式可以看出，局部阻力受局部损失系数和流体的平均速度影响。
图2 局部阻力损失示意图
沿程阻力求解
层流状态：
流体在流动状态可以被简单分成层流流动和湍流流动。层流流动是稳定的，流层与流层之间不发生掺混。湍流是杂乱无章的，流体微团之间会发生明显的不规则脉动。流体的流动状态会对流阻产生较大的影响。
层流状态下沿程阻力系数可由理论推导公式计算
式中：
Re——雷诺数，无量纲。
湍流状态：
在流体运动过程中，紧贴壁面处有一层很薄的流体，由于受到管壁的约束作用，这一层流体仍能保持层流状态，成为黏性底层，这一薄层厚度极小，通常为几分之一毫米。黏性底层厚度可由下式计算
图3 速度分布随雷诺数的影响
而因黏性底层厚度的变化，管壁表面的粗糙度ε便会对沿程阻力产生影响。管壁表面粗糙凸出部分的平均高度ε叫做管壁的绝对粗糙度。因此，对黏性底层厚度与粗糙度的大小进行分析。
当δ>ε时，管壁的粗糙突出部分完全淹没在黏性底层中，其他湍流区域不受管壁粗糙度的影响，流体好像在完全光滑管中流动，这种情况的管内湍流流动称为“水力光滑管”。如图4（a）。
当δ<ε时，管壁的粗糙突出部分有部分被暴露在湍流区域中，从而对湍流流动产生影响。这种情况的管内湍流流动称为“水力粗糙管”。如图4（b）。
图4 黏性底层厚度与管壁粗糙度的两种情况
因此，对于这两种不同的状况，要计算管内流动状态属于哪一种来计算沿程阻力系数。经理论推导和实验修正后可得水力光滑管和水力粗糙度的沿程损失系数公式。
由此，可以由式（4）和粗糙度ε的大小对比来选择使用式（5）还是式（6）来计算沿程损失系数λ，最后联系式（1）计算沿程阻力。
图5 沿程阻力计算示意图
局部阻力求解
局部阻力由冷却液在流道中经过的局部障碍组成，局部障碍非常多样。通过选取合适的局部损失系数再结合式（2），可以求解局部阻力损失。
液冷散热器阻力计算
在掌握了流阻计算的方法之后，通过理论计算一个简单的蛇形流道液冷散热器的阻力损失，同时可以用于不同浓度的溶液对流阻影响的研究。液冷散热器流道结构的具体参数如下表：
图6 蛇形流道液冷散热器结构简化示意图
表2 蛇形流道液冷散热器的结构参数
首先选择水作为冷却液进行阻力损失的计算，这里取60℃的水的物性参数。
表3 水在60℃时的物性参数
沿程阻力损失可由上述物性参数及流道参数计算。局部阻力损失则需要考虑到局部障碍类型和数量，选取的蛇形流道中共有10个90°的弯管组成，查询表1来计算弯管的局部损失系数再由上述物性参数即可计算总阻力损失。总损失为17571.5Pa。
在不同浓度下的流阻特性研究
在液冷散热器结构相同的情况下，分析不同浓度的乙二醇冷却液的流阻，有助于了解浓度变化对散热器流阻的影响。液冷散热器结构参数参照上一小节中表2，分析纯水，30%乙二醇溶液、50%乙二醇溶液和70%乙二醇溶液在定流量条件下，浓度变化对流阻的影响。下面列出4种流体在60°时的物性参数及计算的阻力损失。
表4 不同浓度乙二醇溶液在60℃时的物性参数表
表5 不同浓度乙二醇溶液在60℃时的阻力损失
图7 乙二醇浓度变化对流阻的影响
图8 乙二醇浓度变化对雷诺数和粘度的影响
通过对不同浓度乙二醇溶液的阻力损失和乙二醇浓度变化对粘度的影响分析可以发现。在确定流速和温度的条件下，流阻会随着乙二醇溶液浓度的增加而增加。其中沿程阻力损失的增长速度比局部阻力损失的增长速度要快，总阻力损失的增加主要来源于沿程阻力损失。为了探究沿程阻力损失增大的原因，由图7可见，随着乙二醇溶液浓度的增加，冷却液的黏性增大，导致雷诺数的减小，从而导致沿程损失系数的减小，最终使流阻增加。
由此可得以下结论：在同温同流速的条件下，流阻会随着乙二醇溶液浓度的增加而增加。在冰点满足工作环境的条件下，选择较低浓度的乙二醇溶液有助于降低流阻，节约成本。
在不同温度下的流阻特性研究
上一小节已经发现粘度会对沿程阻力损失产生较大的影响，而温度又会对粘度产生影响。本小节探讨了水和50%乙二醇溶液分别在20℃，40℃，60℃和80℃时的流阻变化。两种流体的物性参数及流阻见下表。
表6 水在不同温度时的物性参数及阻力损失
表7 50%乙二醇溶液在不同温度时的物性参数及阻力损失
图9 水在不同温度下的流阻变化
图10 50%乙二醇溶液在不同温度下的流阻变化
通过探讨水和50%乙二醇溶液温度变化对流阻的影响，可以发现。随着流体温度的增加，粘度逐渐降低。上一节发现粘度降低导致流阻降低。因此，流阻会随着乙二醇溶液温度的上升而减小。
由此可得以下结论：随着温度的上升，乙二醇溶液的温度逐渐降低，流阻也随之降低。在合适的温度区间工作时有助于降低流阻，减少泵功损耗。
结论
1.阻力损失的主要由沿程阻力损失和局部阻力损失组成。沿程阻力损失主要受流体的粘度、流道长度、管径的影响。局部阻力损失主要受局部障碍类型影响。
2.沿程阻力损失需要考虑流体的流动状态。层流、水力光滑管和水力粗糙管需要分别采用不同的公式来计算沿程损失系数。局部阻力损失主要参考局部障碍类型来计算局部损失系数。
3.在相同温度和相同体积流量的条件下，液冷散热器的流阻随着乙二醇溶液浓度的增加而增加。在冰点满足环境温度的情况下，适当降低乙二醇浓度可以降低流阻损耗，节省成本。
4.当同一种冷却液在相同体积流量的条件下，随着温度的升高，液冷散热器的流阻会逐渐降低。控制温度在合适的区间内有助于降低流阻，减少泵功损耗。
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