2021-4-9 | 电子电器论文
作者：范伟 李慧君 单位：华北电力大学
1散热片模型与计算模型
1.1散热片模型几何尺寸选取三种形状的散热片模型，如图1所示，分别为矩形截面的散热片模型1、收缩式散热片模型2和扩散式散热片模型3。各散热片的几何尺寸如表1所示。
1.2计算模型及边界条件为简化计算并保证计算精度，将图1(a)(b)(c)三种计算模型复杂的传热过程做如下假设：(1)流体区域内流动的物质为空气，其物性参数为常数；(2)空气做强制流动，流动是三维定常层流；(3)散热片的传热方式为对流换热，忽略热辐射；(4)假设出口局部单向化。控制方程组的求解方法采用求解压力耦合方程的半隐方法，即SIMPLE算法[10]。计算模型的边界条件为：进口边界给定流体的进口平均风速，取等温边界条件；模型底面为等热流密度；流固耦合面上的边界条件按壁面函数法设置确定。
2计算结果及分析
将GIMBIT绘制的三种模型(如图1所示)导入FLUENT软件进行数值模拟，设置模型两个侧壁温度为313K，速度取变量，温度293K，底面发热面芯片的功率为60W，对流换热温度333K。对三种模型分别在入口风速为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s及6m/s的工况下进行计算，得出三种模型的底面芯片最高温度、传热系数以及压降在不同风速下的变化关系。由图2可知风速与底面芯片最高温度的变化关系，三种散热模型随着风速的提高，散热器的底面芯片最高温度均有降低，风速越高温度越低，散热效果越好。风速在1~3m/s，模型2与模型1的底面芯片最高温度基本相同，模型3的底面最高温度一直高于模型1和模型2。当风速达到3m/s时，模型1和模型2的底面温度约为321K，均好于模型3的散热效果。当风速在3~6m/s，模型2的底面温度明显低于模型1、3的温度，当风速达到6m/s时，模型2的底面温度在317K左右，是三种模型底面芯片最高温度中最低的，而模型3的底面温度最高，接近321K。
图3为传热系数与风速的关系曲线，随着风速的增加，三种模型的对流换热系数均有增大，当风速在1~3m/s，模型2的传热系数比模型1高2%左右，相差不大，而模型3的传热系数明显小于模型1和模型2。当风速接近3m/s并增加至6m/s的过程中，模型2的传热系数大于模型1，模型3的传热系数虽然继续增大但是明显小于模型1与模型2，当差值最大时，模型2比模型1的传热系数高11%左右，模型2较模型3高46%左右。因此，结合图1可得出在相同风速下模型2的换热效果好于模型1和模型3，模型3的换热效果最差。虽然随着风速增加，传热系数增大，但是从图中可以得出，风速由1m/s至3m/s的过程中，三种模型的传热系数提高幅度很大，当风速约为4m/s时，传热系数的提高幅度逐渐减小。按照风速总的变化范围进行比较，模型2的传热系数高于模型1和模型3。图4为压降与风速的关系曲线，当风速为1～3m/s左右时，模型1与模型2的压降均随风速的增加而增大，且没有明显差别，模型3的压降明显大于模型1与模型2。风速接近3m/s并增加至6m/s的过程中，模型1与模型2的压降继续增大，模型2的压降逐渐小于模型1的压降。而模型3的压降在风速1～6m/s的区间内，呈近似线性关系。通过对图4的分析可知，模型2的压降最小，模型3的压降及压降增幅最大。综合图2、图3和图4可知三种模型的底面芯片最高温度随着风速的增大而下降，传热系数随风速的增加而增大，但变化幅度逐渐减小，这与实验结果基本保持一致。原因是三种模型随着风速增加而压降也在增大，即流动阻力增大，这部分能量又以热量的形式被散热片吸收，使得传热系数的增大幅度减小，导致底面芯片最高温度的下降幅度减小。另一方面是由于风速的增加对热边界层厚度的削弱作用也是有限的。
虽然提高风速可以提高传热系数，降低底面芯片最高温度，但是风速增加会导致风扇消耗泵功的增加，同时压降随着风速的增加而增大，而CPU风扇不能承受过大的压降，因此散热片的选取，应满足具有良好的换热效果、压降相对较小的条件。通过对计算结果的分析，可以得出在三种模型中满足条件的是模型2，即由底面沿高度方向截面呈收缩式的散热片。本文对于三种模型的传热特性分析是基于数值计算结果得出的，与实验[3]相比，由于实验设备和相关实验环境等因素的影响，计算结果与实验数据存在一定的误差，但是通过合理的简化计算模型及合理选取边界条件，保证了计算精度，使数值模拟出的结果与相应实验结果能够保持基本一致。
3结束语
三种散热片的换热效果均随着风速的增加而增强，随着风速进一步增加，换热效果继续增强，但是增强程度下降，结合压降随着风速的增加而增大的规律，不应为更好的换热效果过度提高风速而忽略压损的影响。在相同加热功率不同风速下，比较三种模型的底面芯片最高温度、传热系数和压降的变化，可知收缩式散热片，即模型2的换热效果最好且压降最小，优于模型1和模型3。因此，采用收缩式散热片可以为高热流密度的电子设备冷却方案的设计和改进提供参考。