基于ANSYS的環(huán)形器散熱分析研究

【摘要】通過(guò)對(duì)系列尺寸散熱片進(jìn)行比較驗(yàn)證，基于ANSYS數(shù)值模型分析，得到波導(dǎo)環(huán)形器散熱片的基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)對(duì)散熱片的研究得到以下結(jié)論：1）散熱片厚度與通道換熱性能密切相關(guān)，在散熱片間距h=6時(shí)，散熱片壁厚t=1時(shí)，散熱性能越好；2）散熱器換熱性能與散熱片間距占整個(gè)通道的百分比有關(guān)，占空比越小，換熱性能越好，在占空比為50%時(shí)性能達(dá)到最好。

【關(guān)鍵詞】散熱；ANSYS；環(huán)形器

引言

波導(dǎo)環(huán)形器應(yīng)用在大功率微波天線上，主要用于收發(fā)隔離。波導(dǎo)環(huán)形器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，中心鐵氧體材料的磁導(dǎo)率會(huì)下降從而影響其性能，隨著功率的提高，環(huán)形器的散熱問題也越來(lái)越突出。本文對(duì)環(huán)形器散熱問題進(jìn)行研究，利用ANSYS仿真分析，主要研究散熱片厚度t和散熱片間距h對(duì)散熱能力的影響。環(huán)形器的散熱片通過(guò)兩種方式散熱，對(duì)流散熱和輻射散熱。由于輻射散熱占總散熱量的百分比較小[1]，一般在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮對(duì)流散熱。

1、模型建立

波導(dǎo)環(huán)形器結(jié)構(gòu)如圖1所示，環(huán)形器中有鐵氧體材料作為介質(zhì)，外圍波導(dǎo)和散熱片均為鋁。在UG中建立波導(dǎo)環(huán)形器的實(shí)體模型，散熱器外圍體積100×100×80mm，散熱片參數(shù)化設(shè)計(jì)有兩個(gè)變量t和h，t是散熱片厚度，h是散熱片間距。

2、有限元模型與邊界條件

環(huán)形器散熱片材料是鋁，密度=2770Kg/m3，比熱容c=875J/（Kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)=150W/（m·K），中心鐵氧體材料密度=4800Kg/m3，比熱容c=600J/（Kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)=5W/（mK），散熱片工作環(huán)境溫度T=60℃，散熱片與空氣的自然對(duì)流系數(shù)h=5W/（m2/K）。

主要分析步驟：

1、在ANSYSworkbench中設(shè)定材料參數(shù)；

2、將UG實(shí)體模型轉(zhuǎn)化成.x_t格式文件導(dǎo)入ANSYSworkbench中；

3、在ANSYSworkbench中劃分有限元網(wǎng)格；

4、在workbench中設(shè)定邊界條件，環(huán)境溫度等參數(shù)；

5、求解計(jì)算；

6、修改變量參數(shù)，執(zhí)行3-5步。

有限元模型如圖2所示，選擇散熱片上所有與空氣接觸的面設(shè)定自然對(duì)流系數(shù)為5W/（m2/K），同時(shí)換算出中心鐵氧體發(fā)熱源的發(fā)熱量為多少3.2×106W/m3。以t=4，h=6的模型為例，模型共劃分37387個(gè)節(jié)點(diǎn)，18080個(gè)單元。

3、結(jié)果分析

3.1散熱片間距相同，散熱片片厚不同

散熱片間距h=6mm時(shí)，取散熱片厚度t分別為1mm，2mm，3mm，4mm得到如表1所示結(jié)果。

由于鐵氧體材料導(dǎo)熱性能較差，溫度最高點(diǎn)都集中在中心鐵氧體材料上，溫度最低點(diǎn)主要在散熱器最外邊緣處。隨著散熱片厚度的增加，散熱器的散熱能力有所下降，鐵氧體上的溫度由87.845度上升到92.202度。說(shuō)明在散熱片間距相同的情況下，增加散熱片厚度影響散熱器的散熱能力。

3.2散熱片間距與片厚之和不變

該假設(shè)情況下主要考慮散熱通道占空比對(duì)散熱性能的影響，保證t+h=10mm，改變t和h的值得到如表2所示結(jié)果。

溫度最高點(diǎn)集中在中心鐵氧體材料上，溫度最低點(diǎn)在散熱器外圍邊緣上。當(dāng)通道占空比增加時(shí)，鐵氧體上溫度由91.476度上升到95.567度。說(shuō)明在t+h為定值時(shí)，增加占空比將導(dǎo)致散熱能力下降。

4、結(jié)論

由上述數(shù)值模型仿真計(jì)算可得出以下結(jié)論：

1）散熱片厚度與通道換熱性能密切相關(guān)，散熱片越薄，散熱性能越好，當(dāng)散熱片間距h=6mm，散熱片厚度t=1mm時(shí)，環(huán)形器溫升27.845度，散熱效果最好；

2）散熱器換熱性能與散熱片之間通道占空比有關(guān)，占空比越小，換熱性能越好，當(dāng)散熱片間距h=5mm，散熱片厚度t=5mm時(shí)，環(huán)形器溫升31.476度，散熱效果最好。

參考文獻(xiàn)

[1]陳品，吳兆華，黃紅艷等.LTCC中埋置大功率芯片散熱的三維有限元分析[J].電子與封裝，2011.3.

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[3]徐尚龍，秦杰，胡廣新.芯片冷卻用微通道散熱結(jié)構(gòu)熱流耦合場(chǎng)數(shù)值研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2011.12.