微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元分析

李祎

廈門理工學(xué)院（廈門　361000）

微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元分析

李祎

廈門理工學(xué)院（廈門361000）

采用流體力學(xué)（CFD）研究方法，進(jìn)行微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬，并且采取有限元分析方法，探討微矩形槽平板熱管運(yùn)行的影響因素，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建科學(xué)合理的微槽平板散熱片的CFD熱阻模型，并且根據(jù)研究成果，優(yōu)化微槽平板散熱片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)微矩形槽平板熱管投入成本的降低，提升微矩形槽平板熱管經(jīng)濟(jì)效益。

微矩形槽平板；熱管；數(shù)值模擬；有限元分析

近年來，電子技術(shù)的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，且充分的彰顯出高集成、高功率特性，另外，電子設(shè)備元器件的熱流密度逐漸的增大，部分大功率電子元器件的熱流密度能夠高達(dá)50W/cm2［1］。但是，由于電子元器件在工作運(yùn)行狀態(tài)下，需要對(duì)溫度進(jìn)行有效的控制，而且在長(zhǎng)期過熱或者長(zhǎng)期不均勻熱應(yīng)力的作用下，容易導(dǎo)致各種各樣的運(yùn)行故障發(fā)生，或者造成相關(guān)設(shè)備失靈。因此，為了強(qiáng)化功率器件的散熱能力，應(yīng)該增強(qiáng)微矩形槽平板熱管的散熱功能。如今，微矩形槽平板熱管成為應(yīng)用熱潮，基于此，本文對(duì)微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元展開探討，期望能夠產(chǎn)生一定的積極效用。

1　微矩形槽平板熱管研究現(xiàn)狀

微矩形槽平板熱管（散熱片）的制成材料為：銅或鋼材（屬于良好的導(dǎo)熱材料），另外，作為性能良好的熱導(dǎo)體—金屬，同樣的能夠作為微矩形槽平板熱管的制作材料（熱量以對(duì)流和輻射方式散熱）。本次研究項(xiàng)目，選用銅作為微矩形槽平板熱管的制作材料，原因?yàn)椋恒~是良好的熱導(dǎo)體，市場(chǎng)價(jià)格較低，且易于操作，同時(shí)可以滿足小尺寸零件的制造。

微矩形槽平板熱管的散熱原理主要為傳熱，也就是將產(chǎn)生的熱量通過散熱片散發(fā)到特定的環(huán)境中。微矩形槽平板熱管平板散熱片結(jié)構(gòu)如圖1所示，從結(jié)構(gòu)圖中我們可以看出：微矩形槽平板熱管平板散熱片由底板和肋片兩部分構(gòu)成。而且據(jù)相關(guān)研究證實(shí)：微矩形槽平板熱管平板散熱片的設(shè)計(jì)核心為：肋片的設(shè)計(jì)（包括肋片的數(shù)量、尺寸、布局、間距以及表面狀況等），同時(shí)，散熱片的數(shù)量、表面積與其散熱功能呈正相關(guān)關(guān)系，即：散熱片的肋片越多，其散熱表面積越大，其散熱功能就越強(qiáng)大。另外，不同的肋片高度以及不同的肋間距會(huì)對(duì)散熱的對(duì)流面積造成直接影響，同時(shí)直接影響到散熱效果。除此之外，肋片的布局直接制約散熱片內(nèi)氣流組織以及換熱系數(shù)。

圖1　微矩形槽平板熱管平板散熱片結(jié)構(gòu)圖

眾所周知，微矩形槽平板熱管平板散熱片的散熱功能往往依賴于肋片間的空氣流速。目前，有相關(guān)研究通過減少肋片間距、肋片的數(shù)目的方式，以便增加肋片表面的換熱面積，從而提升散熱片的散熱功能［2］。舉個(gè)例子，如Malhammеr［3-4］對(duì)微矩形槽平板熱管平板散熱片的研究（在給定芯片表面與環(huán)境的溫差及流速條件下進(jìn)行）發(fā)現(xiàn)：散熱片的散熱量與肋間距呈正相關(guān)關(guān)系，且進(jìn)行了對(duì)比性探究（不同流速下散熱片的散熱量）。除此之外，在給定流速及肋片厚度條件、芯片表面與環(huán)境的溫差條件下，兩者也具有密切的互動(dòng)關(guān)系。

蔣長(zhǎng)順等［5］用CFD軟件，對(duì)微矩形槽平板熱管進(jìn)行了數(shù)值模擬（具有平板型熱沉的三維多芯片組件），得出：熱沉肋片數(shù)能夠影響散熱片最高結(jié)點(diǎn)溫度，并且在肋片的厚度為常數(shù)的情況下，熱沉表面的熱交換系數(shù)與肋片數(shù)、熱沉與流體的接觸面積呈正相關(guān)關(guān)系，能夠?qū)⒏嗟臒崃坑煽諝饬黧w散發(fā)到環(huán)境中，因此，可以有效的（或者顯著的）減小芯片的最高結(jié)溫。徐高衛(wèi)，薛建順［6］等采用CFD方法對(duì)對(duì)微矩形槽平板熱管熱流場(chǎng)的進(jìn)行模擬優(yōu)化，與此同時(shí)，充分的驗(yàn)證了CFD方法的可行性。另外，對(duì)散熱片的材料也進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算（材料選為鋁和銅），進(jìn)行模擬對(duì)比。研究證實(shí)：在給定熱源與環(huán)境的溫差條件下，銅制散熱片的散熱效果優(yōu)于鋁制散熱片的散熱效果（鋁的傳導(dǎo)熱的能力次于銅），但是鋁的傳導(dǎo)熱的能力基本能夠符合相應(yīng)熱傳遞要求。在特殊條件或者若要進(jìn)一步提高散熱能力，則需要適當(dāng)?shù)慕档弯X的傳導(dǎo)熱的能力，也就是適當(dāng)?shù)慕档蜕崞鉄嶙瑁ɑ蛘咴鰪?qiáng)對(duì)流換熱系數(shù)）。

2　微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元實(shí)驗(yàn)分析

微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元實(shí)驗(yàn)有幾個(gè)步驟，如下：

2.1微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元實(shí)驗(yàn)選取銅為散熱片材料，并且將微矩形槽平板熱管散熱片的底座尺寸控制在＜25×25mm。另外，為了證實(shí)微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元實(shí)驗(yàn)的有效性，改變散熱片上肋片的數(shù)量、肋片間距以及尺寸，并且在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討肋片幾何尺寸對(duì)散熱性能的影響，旨在為CFD數(shù)值模擬提供必要且有效的理論依據(jù)。

2.2構(gòu)建科學(xué)合理的微矩形槽平板熱管散熱片的CFD熱阻模型

在上述的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)一系列幾何尺寸的微矩形槽平板熱管散熱片進(jìn)行仿真模擬，并且構(gòu)建建科學(xué)合理的微矩形槽平板熱管散熱片的CFD熱阻模型。

2.3構(gòu)建具有指導(dǎo)性質(zhì)的微矩形槽平板熱管散熱經(jīng)驗(yàn)公式

將上述的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，獲取指導(dǎo)性質(zhì)的微矩形槽平板熱管散熱經(jīng)驗(yàn)公式，也就是熱阻及對(duì)流換熱系數(shù)表達(dá)式。

2.4研究成果在微矩形槽平板熱管散熱片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加以應(yīng)用

將本次研究所獲取的散熱經(jīng)驗(yàn)公式、肋間距與肋片厚度的尋優(yōu)尺寸等具有指導(dǎo)性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)值，并且在適當(dāng)?shù)臏p少散熱片的設(shè)計(jì)試驗(yàn)次數(shù)條件西啊，快速且高效的應(yīng)用于微矩形槽平板熱管散熱片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

3　要解決的科學(xué)技術(shù)問題

（1）微矩形槽平板熱管散熱機(jī)制比較復(fù)雜，而且微矩形槽平板熱管散熱成效（換熱系數(shù)）往往受肋片間距、肋片厚度、肋片數(shù)等諸多外在因素的影響，而且值模擬及有限元試驗(yàn)方法不適用普通尺寸槽道散熱片，不利于探究微矩形槽平板熱管的實(shí)際性能，因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)當(dāng)注意研究微矩形槽平板熱管散熱機(jī)制，控制外在因素的負(fù)面影響。

（2）探究微矩形槽平板熱管散熱片性能時(shí)，往往散熱片長(zhǎng)期加熱，而相關(guān)研究數(shù)據(jù)的采集精確度要求非常的高，高溫容易造成相關(guān)數(shù)據(jù)丟失，在實(shí)際測(cè)量工作中，容易出現(xiàn)偏差，而且具有偏差的數(shù)據(jù)信心難以保障對(duì)微矩形槽平板熱管散熱片性能的探究安全無誤。因此，在實(shí)驗(yàn)、測(cè)量等工作中，應(yīng)當(dāng)注意：將實(shí)驗(yàn)溫度控制在科學(xué)合理的范圍內(nèi)，提出驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性的理論依據(jù)，從而有效的保證微矩形槽平板熱管散熱片散熱效率檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

（3）邊界條件和參數(shù)的確定在建立散熱片的仿真模型時(shí)是十分令人頭疼的穩(wěn)態(tài)，需要根據(jù)傳熱學(xué)、流體力學(xué)以及散熱片幾何尺寸參數(shù)等相關(guān)建設(shè)實(shí)驗(yàn)條件來確定，從而保障仿真模型的準(zhǔn)確創(chuàng)建。

4　微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元技術(shù)流程

微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元技術(shù)流程如圖2所示。

圖2　項(xiàng)目技術(shù)路線流程圖

5　微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元技術(shù)發(fā)展展望

目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)槽道平板散熱片的散熱性能做了大量的研究工作，但是大部分成果均指向大尺寸槽道和在對(duì)流換熱情況下的散熱性能分析（肋片的間距大于2mm）。并且提出了比奧準(zhǔn)則，但有研究在認(rèn)為比奧準(zhǔn)則適用于大尺寸平板散熱片（肋間距不小于4～6 mm），對(duì)微槽道型平行板散熱片則不適用.同時(shí)M Ishizuka*，YYokono and D Biswas建立了較為精確的CFD模型，該模型對(duì)大尺寸的微槽的散熱性能有精度較高的預(yù)測(cè)能力。但是當(dāng)槽道寬度小于2mm時(shí)，該模型對(duì)微槽的散熱性能的預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)有明顯偏差。

對(duì)肋片的間距和厚度小于2mm的微槽平板散熱片的散熱性能的研究成為亟待解決的關(guān)鍵問題。本項(xiàng)目將采用CFD方法對(duì)微槽平板散熱片的散熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，建立微槽平板散熱片的CFD熱阻模型，得出散熱經(jīng)驗(yàn)公式。研究成果可用于設(shè)計(jì)微槽平板散熱片的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化，從而有效減少前期研究的投入成本和降低研究周期。

本項(xiàng)目以計(jì)算仿真分析為主，以試驗(yàn)手段為輔，使用FLUENT軟件，構(gòu)造微槽平板散熱片的CFD仿真模型庫。而且隨著微電子技術(shù)的日益發(fā)展，對(duì)肋片的間距和厚度小于2mm的微槽平板散熱片的需求日益廣泛。本次研究所創(chuàng)建的CFD模型和經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于微槽平板散熱片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化很大的指導(dǎo)意義，可以降低相關(guān)的研發(fā)投入，節(jié)約成本，有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

6　結(jié)語

目前，隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，越來越多功能強(qiáng)大的電子設(shè)備產(chǎn)品被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。與此同時(shí)，散熱問題越來越被人們所重視，對(duì)該問題的研究也變得更加重要。眾所周知，電子組件工作時(shí)，設(shè)備產(chǎn)生出的熱能需要立即脫離其本身（這是因?yàn)椋涸O(shè)備熱能越高，其自身熱量越需要盡快散發(fā)掉，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系）。此外，子元件的工作效率與其伴隨設(shè)備的溫度同樣的呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即：會(huì)伴隨設(shè)備溫度的升高而大大地消減。因此，設(shè)備的溫度達(dá)到一定高度時(shí)，便會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定程度的損害，在此條件下，需要強(qiáng)化電子設(shè)備散熱問題的解決能力。目前，大部門項(xiàng)目工程停留在實(shí)驗(yàn)室研究，或者片面的追求理論知識(shí)的升級(jí)，因此，提升問題的解決實(shí)踐能力是當(dāng)務(wù)之急。本文通過分析微矩形槽平板熱管研究現(xiàn)狀、微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元實(shí)驗(yàn)分析、科學(xué)技術(shù)問題分析、微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元技術(shù)流程設(shè)計(jì)以及微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元技術(shù)發(fā)展展望，探究總結(jié)了解決電子設(shè)備的散熱問題的重要性。總而言之，微矩形槽平板熱管的數(shù)值模擬及有限元分析需要綜合考量肋片間距、肋片厚度、肋片數(shù)等諸多外在因素，在先進(jìn)的信息技術(shù)的支持下，構(gòu)建科學(xué)合理的微矩形槽平板熱管散熱片的CFD熱阻模型、構(gòu)建具有指導(dǎo)性質(zhì)的微矩形槽平板熱管散熱經(jīng)驗(yàn)公式、研究成果在微矩形槽平板熱管散熱片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加以應(yīng)用等。本文的分析闡述可能存在一定的片面性，需要進(jìn)一步深入研究，但是本文的實(shí)驗(yàn)性研究具有重要的借鑒價(jià)值，能夠有效的指導(dǎo)相關(guān)工作的優(yōu)化升級(jí)，因此，不可武斷的評(píng)價(jià)本文的優(yōu)劣，期望本文能夠產(chǎn)生一定的積極效用。

［1］劉東，劉明侯，徐侃，等.微細(xì)槽道散熱器性能試驗(yàn)和數(shù)值研究［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，39（1）：57-62.

［2］西利J H，褚R C.微電子設(shè)備的換熱［M］.余川譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1978：86-88.

［3］Malhammеr.A.Optimization of Hеat Sinks in Non-Confinеd Flow［EB/OL］.www.coolzonе.com.

［4］Malhammеr.A.Hеat Sinks and Rеy Nolds Analogy［EB/OL］. www.coolzonе.com.

［5］蔣長(zhǎng)順，謝擴(kuò)軍，許海峰，等.三維多芯片組件的散熱分析［J］.電子與封裝，2005，1（5）：21-25.

［6］徐高衛(wèi)，薛建順，朱文杰，等.超級(jí)計(jì)算機(jī)機(jī)箱的熱流場(chǎng)特性研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2006，22（6）：57-61.

（責(zé)任編輯：文婷）

［O242.21］

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1003-3319（2016）03-00012-03

10.19469/j.cnki.1003-3319.2016.03.0012