Numerical Analysis of PIN Fin Configurations for Liquid Cooled Cold Plates for Aircraft Power Converters
本研究利用计算流体力学（CFD）模拟评估了用于液冷航空电子设备冷板的圆形、菱形及 NACA 0030 翼型销钉散热片配置，结果表明，交错式翼型设计为重量受限的航空电子设备提供了最佳的热性能指数，而交错式圆形设计则在压力损失极小的情况下提供了卓越的纯冷却性能。
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现代飞机正经历着一场静默的革命。为了减少排放并提高效率，设计师们正在用电力系统取代沉重的液压和气动系统，从而创造出工程师们所称的“更多电力”甚至“全电力”飞机。这种转变给管理电力的功率转换器带来了巨大的负担，这些设备必须在航空电子舱狭窄且高温的环境中可靠运行。随着这些组件产生的热量越来越多，旨在为其降温的系统必须变得更加高效，同时又不能增加过多的重量，或需要消耗燃料的强力泵。挑战在于，如何在消耗最少能量推动冷却液流经系统的同时，尽可能快地将热量从敏感电子元件处移走。
为了解决这个问题，明斯特科技大学的研究人员转向了一种称为计算流体力学的方法，本质上是利用强大的计算机来模拟液体如何在冷却板内部的微小障碍物上流动。他们专注于一个特定的设计特征：柱状翅片（pin fins）。这些是在冷却液流动的通道内按行排列的小型柱状结构。当液体经过这些柱子时，会产生旋涡并发生混合，这有助于将热量从金属板壁处带走。团队想要了解哪种形状的柱状翅片效果最好。他们测试了三种截然不同的形状：简单的圆形、菱形，以及类似于飞机机翼横截面的流线型翼型形状。他们还测试了两种排列方式：一种是每行中的柱子与后方的柱子完美对齐，另一种是第二行的柱子位于第一行柱子的间隙中，形成交错模式。
研究人员构建了一个由铝制成的冷板详细数字模型，铝是真实飞机中使用的材料，并在其中填充了水和乙二醇的混合物，这是一种常见的冷却剂。他们模拟了这种液体在三种不同速度下的流动（从缓慢爬行到快速奔涌），同时在板顶施加了沉重且稳定的热负荷，以模拟真实功率转换器下的剧烈环境。总共，他们进行了十八次不同的模拟，测试了三种形状、两种模式和三种速度的所有组合。目标是测量两个相互竞争的因素：系统冷却板的效果，以及流体试图穿过这些柱子时感受到的阻力。对于一架每一盎司重量和每一滴燃料都至关重要的飞机来说，一个虽然冷却效果好但需要强力泵来推动流体的设计是毫无用处的。
结果显示，并没有一种适用于所有情况的“完美”形状，但根据飞机设计师优先考虑的目标不同，会有明显的胜出者。当目标纯粹是为了尽可能快地移除热量时，采用交错排列的圆形柱状翅片表现最好。在最高流速下，这种配置比标准基准设计提高了百分之二多一点的冷却效率。然而，这种微小的增益也伴随着泵送流体所需力量的略微增加。菱形柱状翅片——此前一些研究曾暗示其可能更优越——在这一特定设置中表现始终是最差的，在冷却和流体流动方面均未达到预期。
然而，最重要的发现来自于翼型柱状翅片。虽然它们的散热并不像圆形柱子那样激进，但它们提供了更好的平衡。由于其形状呈流线型，流体绕过它们时的阻力极小，因此所需的泵送功率显著降低。当研究人员将冷却性能与移动流体所需的能量整合为一个综合评分时，交错排列的翼型柱子脱颖而出，成为了绝对的冠军。这种配置实现了最高的综合性能得分，证明了它既能保持电子元件冷却，又能节省能源并减轻飞机泵送系统的压力。
研究证实，冷却剂的速度是影响结果的最强大因素，无论柱子形状如何，更快的流动总是会导致更好的冷却效果。然而，柱子的形状和排列决定了这种速度被利用的效率。翼型设计对于航空工业特别具有吸引力，因为它最小化了压力降，这意味着泵可以做得更小、更轻。研究人员指出，尽管他们的计算机模型非常详细并经过了现实世界实验的验证，但由于翼型形状具有尖锐且弯曲的边缘，模拟难度最大，需要进行仔细调整以确保数字结果的准确性。最终，对于重量和功率都极其珍贵的飞机航空电子舱这一受限环境而言，流线型翼型柱状翅片为下一代电力飞机的冷却提供了最有希望的途径。
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