基于Icepak的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器數(shù)值模擬研究

孫飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司第十研究所，成都 610036）

引言

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱是地面電子設(shè)備常用的一種散熱方式，在民用電子設(shè)備和軍用電子設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如電動(dòng)車的電機(jī)控制器、通信基站等均采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，相比自然散熱，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱具備更高的散熱效率，相比液冷散熱，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)漏液風(fēng)險(xiǎn)。但是隨著電工電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子器件的集成度越來(lái)越高，導(dǎo)致其單位體積熱耗不斷增加[1]，這就為強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器提出了更高的散熱要求。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器進(jìn)行了廣泛的研究，包含了結(jié)構(gòu)、材料等方面創(chuàng)新。張忠海介紹了一種電子設(shè)備中高功率器件的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)方法[2]。Yuanlong Yang等數(shù)值模擬了鋰電池采用開(kāi)孔泡沫鋁換熱器進(jìn)行熱控時(shí)，在不同泡沫鋁結(jié)構(gòu)和風(fēng)速下的散熱性能[3]。Yan Fan等通過(guò)一系列數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提出了一種新型圓柱形斜鰭翅片小通道散熱器結(jié)構(gòu)[4]。Vipin等對(duì)垂直通道中可變陣列加熱模塊的風(fēng)冷進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)研究[5]。任航等對(duì)一款典型的UV-LED風(fēng)冷翅片熱管散熱系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[6]，重點(diǎn)分析了該型翅片熱管散熱器的動(dòng)態(tài)熱性能。丁杰和張平研究了電機(jī)控制器的風(fēng)冷散熱器在五種風(fēng)機(jī)下的散熱性能[7]。楊弘熙等提出了無(wú)相變對(duì)流換熱中對(duì)流換熱的計(jì)算公式，采用數(shù)值模擬進(jìn)行了分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[8]。王長(zhǎng)昌和杜廣群采用Flotherm軟件對(duì)車載電氣設(shè)備風(fēng)冷散熱器的風(fēng)速、翅片密度和高度等參數(shù)對(duì)散熱器散熱性能的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究[9]。蔡煜等采用數(shù)值模擬方法對(duì)散熱器的翅片厚度、翅片高度和翅片長(zhǎng)度對(duì)散熱器散熱性能的影響進(jìn)行分析[10]，為散熱器的設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的建議尺寸。張梁娟和胡柯峰采用正交優(yōu)選的方法對(duì)某風(fēng)冷冷板進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[11]。

某型地面電子設(shè)備具有器件熱流密度高、總熱耗大的特點(diǎn)，常用機(jī)加工的鋁翅片配合大風(fēng)量的風(fēng)機(jī)已難以滿足該型設(shè)備的熱控要求，為了提高該型電子設(shè)備風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的性能，本文基于Icepak對(duì)其風(fēng)冷散熱器不同翅片結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了仿真分析研究，探索翅片結(jié)構(gòu)和風(fēng)機(jī)供風(fēng)方向?qū)υO(shè)備熱控性能的影響，為該型電子設(shè)備風(fēng)冷散熱器的設(shè)計(jì)提供了改進(jìn)方法。

1 仿真模型

1.1 物理模型

某型地面電子設(shè)備風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)熱器件1和發(fā)熱器件2安裝于換熱裝置上表面，換熱裝置整機(jī)尺寸為107 mm×331 mm×500 mm，其內(nèi)部翅片換熱器的尺寸為96 mm×440 mm×317 mm，翅片散熱結(jié)構(gòu)上安裝有兩種發(fā)熱器件，發(fā)熱器件1總熱耗為300 W，發(fā)熱器件2單個(gè)熱耗為120 W，采用四個(gè)EBM 8214JH4風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，環(huán)境溫度為地面55 ℃。

圖1 某型風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用Icepak仿真分析翅片換熱器的散熱性能，在仿真前做如下假設(shè)：

1）假設(shè)空氣不可壓縮。

2）空氣的熱物性與溫度無(wú)關(guān)。

3）忽略輻射和空氣對(duì)流影響。

4）熱源與散熱結(jié)構(gòu)之間存在接觸熱阻，采用厚度為1 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為8 W/mK的導(dǎo)熱襯墊。

5）發(fā)熱器件1材料為鋁合金6061，發(fā)熱器件2材料為紫銅，設(shè)備結(jié)構(gòu)材料為鋁合金6061，翅片結(jié)構(gòu)材料為鋁合金1100，翅片結(jié)構(gòu)與設(shè)備結(jié)構(gòu)之間采用釬焊，可忽略其接觸熱阻。

模型中所用材料的熱物性如表1所示。

表1 所用材料的熱物性

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

雷諾數(shù)大約在6 000～9 000之間，采用k-ωSST模型進(jìn)行求解。

在仿真過(guò)程中，采用Spaceclaim對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化（如圖2所示），采用Icepak軟件自帶的網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，在仿真過(guò)程中根據(jù)翅片結(jié)構(gòu)的變化適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格單元數(shù)目，在滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求與仿真精度的條件下，模型網(wǎng)格數(shù)量大約在1 200～2 300 W之間。

圖2 簡(jiǎn)化后的風(fēng)冷散熱器仿真模型

2 結(jié)果分析與討論

本次研究中所采用的EBM8214JH4型風(fēng)機(jī)具有壓頭大、風(fēng)量大的特點(diǎn)，在總熱耗較大的地面電子設(shè)備上廣泛使用，因此在采用EBM8214JH4時(shí)，散熱器的翅片尺寸能夠更大，對(duì)于風(fēng)冷散熱器，增強(qiáng)其散熱效果的主要手段有：①提高散熱器換熱面積，即在單位體積內(nèi)增加翅片數(shù)量；②增加氣流在翅片結(jié)構(gòu)中的湍流度。因此在本次研究中主要針對(duì)上述兩點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)分析。

2.1 翅片分段數(shù)目對(duì)散熱器熱阻的影響

在空氣流動(dòng)方向上翅片出現(xiàn)分段能夠有效提高氣流在翅片結(jié)構(gòu)中的湍流度，但是由于結(jié)構(gòu)的限制，在翅片結(jié)構(gòu)不變的情況下，翅片分段的增加，必然導(dǎo)致翅片總換熱面積的減小，進(jìn)而影響散熱器的總熱阻，因此在仿真分析過(guò)程中，假設(shè)翅片厚度為2 mm，翅片間距為5.7 mm，翅片數(shù)目為40根時(shí)，沿空氣流動(dòng)方向?qū)⒊崞謩e等分為2段、3段、4段、5段，每段之間間距為5 mm時(shí)，得出散熱器的熱阻變化如圖3所示，可以得出當(dāng)翅片為1段時(shí)，散熱器的總熱阻最小，即散熱器的散熱效率最佳，而當(dāng)散熱器的翅片從1段增加至4段時(shí)，散熱器的熱阻逐漸增大，而當(dāng)散熱器的翅片為5段時(shí)，散熱器的總熱阻開(kāi)始減小。從總熱阻的變化趨勢(shì)來(lái)看，進(jìn)一步增加翅片分段數(shù)目，能夠減小散熱器的總熱阻，但是需要指出的是，本次研究中所采用的散熱器中翅片高度達(dá)到96 mm，分段數(shù)目的增加會(huì)導(dǎo)致翅片加工量和加工難度的上升，這在實(shí)際工程應(yīng)用中并不可取。而且從圖4散熱器安裝面溫度分布來(lái)看，溫度分布完全相似，對(duì)比整個(gè)安裝面的溫度梯度分布可以得出當(dāng)采用1段翅片結(jié)構(gòu)時(shí)，散熱器安裝面的溫度梯度相對(duì)最小，這主要是因?yàn)槌崞亓鲃?dòng)方向無(wú)分段，熱量在翅片流動(dòng)方向上能夠充分?jǐn)U散，進(jìn)而導(dǎo)致散熱器安裝面的溫度梯度更小，本次研究中，發(fā)熱器件1和發(fā)熱器件2的熱流密度差異較大，因此可以得出，當(dāng)散熱器冷卻對(duì)象的熱流密度差異較大時(shí)，采用1段翅片效果相對(duì)最佳。

圖4 散熱器安裝面溫度分布

圖3所示，隨著翅片分段數(shù)目的增加，散熱器的總熱阻發(fā)生變化，這主要是由于翅片分段間隔處流場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致湍流度局部增加，圖5所示為翅片中心截面的速度場(chǎng)分布，可以看出在翅片分段出，流速發(fā)射了明顯變化，但是由于翅片分段數(shù)目有限，流速的變化影響范圍較小，幾乎僅限于分段處部分區(qū)域，結(jié)合圖3所示的總熱阻變化情況可以得出，當(dāng)散熱器結(jié)構(gòu)較大時(shí)，在一定范圍內(nèi)增加翅片分段數(shù)目并不能有效降低散熱器的總熱阻。

圖3 翅片分段數(shù)目對(duì)散熱器總熱阻的影響

圖5 翅片結(jié)構(gòu)中的流場(chǎng)分布

2.2 翅片厚度對(duì)散熱器性能的影響

假設(shè)翅片總體積相同，改變翅片厚度和翅片數(shù)量，同時(shí)改變風(fēng)機(jī)的進(jìn)出風(fēng)方向，通過(guò)仿真分析得出以下結(jié)果，從圖6所示的散熱器總熱阻變化可以得出，對(duì)于此次研究的風(fēng)冷散熱器，采用抽風(fēng)形式時(shí)，無(wú)論翅片厚度如何變化，其總熱阻均小于吹風(fēng)形式。隨著翅片厚度的增加，散熱器的總熱阻呈現(xiàn)出先變小再變大的趨勢(shì)，對(duì)于抽風(fēng)形式，當(dāng)翅片厚度為1 mm時(shí)，總熱阻最小，對(duì)于吹風(fēng)形式，當(dāng)翅片厚度為1.5 mm時(shí)，總熱阻最小。

由圖7和圖8可知，吹風(fēng)形式下散熱器安裝面的溫度梯度遠(yuǎn)小于抽風(fēng)形式下散熱器安裝面的溫度梯度，這主要是由于本次研究中發(fā)熱器件1和發(fā)熱器件2熱流密度差距較大，發(fā)熱器件1的熱流密度和總熱耗遠(yuǎn)小于發(fā)熱器件2的熱流密度和總熱耗。因此不同的進(jìn)風(fēng)形式會(huì)導(dǎo)致散熱器安裝面溫度梯度不同。

由圖7可知，在抽風(fēng)形式下，當(dāng)翅片厚度為1 mm時(shí)，散熱器安裝面的最高溫度低于其他三種情況，這與圖6所示的總熱阻變化趨勢(shì)相同。進(jìn)一步說(shuō)明翅片厚度為1 mm時(shí)，散熱器散熱效率最佳。由圖8可知，在吹風(fēng)形式下，當(dāng)翅片厚度為1.5 mm時(shí)，散熱器安裝面的最高溫度低于其他三種情況，這與圖6所示的總熱阻變化趨勢(shì)相同。進(jìn)一步說(shuō)明翅片厚度為1.5 mm時(shí)，散熱器散熱效率最佳。

圖6 翅片厚度對(duì)散熱器總熱阻的影響

圖7 抽風(fēng)形式時(shí)散熱器安裝面溫度分布

圖8 吹風(fēng)形式時(shí)散熱器安裝面溫度分布

3 結(jié)論

本文對(duì)某型地面電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬研究，得出以下結(jié)論：

1）翅片分段雖然能夠提高散熱器中流場(chǎng)的湍流度，但是對(duì)于較大的翅片結(jié)構(gòu)，分段并不能有效降低散熱器的總熱阻。

2）對(duì)于本文討論的散熱器結(jié)構(gòu)，吹風(fēng)形式下的總熱阻大于抽風(fēng)形式下的總熱阻，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)采用抽風(fēng)形式，翅片厚度為1 mm時(shí)，散熱效率最佳。