作者：范偉 李慧君 單位：華北電力大學(xué)

1散熱片模型與計(jì)算模型

1.1散熱片模型幾何尺寸選取三種形狀的散熱片模型，如圖1所示，分別為矩形截面的散熱片模型1、收縮式散熱片模型2和擴(kuò)散式散熱片模型3。各散熱片的幾何尺寸如表1所示。

1.2計(jì)算模型及邊界條件為簡(jiǎn)化計(jì)算并保證計(jì)算精度，將圖1(a)(b)(c)三種計(jì)算模型復(fù)雜的傳熱過(guò)程做如下假設(shè)：(1)流體區(qū)域內(nèi)流動(dòng)的物質(zhì)為空氣，其物性參數(shù)為常數(shù)；(2)空氣做強(qiáng)制流動(dòng)，流動(dòng)是三維定常層流；(3)散熱片的傳熱方式為對(duì)流換熱，忽略熱輻射；(4)假設(shè)出口局部單向化。控制方程組的求解方法采用求解壓力耦合方程的半隱方法，即SIMPLE算法[10]。計(jì)算模型的邊界條件為：進(jìn)口邊界給定流體的進(jìn)口平均風(fēng)速，取等溫邊界條件；模型底面為等熱流密度；流固耦合面上的邊界條件按壁面函數(shù)法設(shè)置確定。

2計(jì)算結(jié)果及分析

將GIMBIT繪制的三種模型(如圖1所示)導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)置模型兩個(gè)側(cè)壁溫度為313K，速度取變量，溫度293K，底面發(fā)熱面芯片的功率為60W，對(duì)流換熱溫度333K。對(duì)三種模型分別在入口風(fēng)速為1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s及6m/s的工況下進(jìn)行計(jì)算，得出三種模型的底面芯片最高溫度、傳熱系數(shù)以及壓降在不同風(fēng)速下的變化關(guān)系。由圖2可知風(fēng)速與底面芯片最高溫度的變化關(guān)系，三種散熱模型隨著風(fēng)速的提高，散熱器的底面芯片最高溫度均有降低，風(fēng)速越高溫度越低，散熱效果越好。風(fēng)速在1~3m/s，模型2與模型1的底面芯片最高溫度基本相同，模型3的底面最高溫度一直高于模型1和模型2。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3m/s時(shí)，模型1和模型2的底面溫度約為321K，均好于模型3的散熱效果。當(dāng)風(fēng)速在3~6m/s，模型2的底面溫度明顯低于模型1、3的溫度，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到6m/s時(shí)，模型2的底面溫度在317K左右，是三種模型底面芯片最高溫度中最低的，而模型3的底面溫度最高，接近321K。

圖3為傳熱系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系曲線，隨著風(fēng)速的增加，三種模型的對(duì)流換熱系數(shù)均有增大，當(dāng)風(fēng)速在1~3m/s，模型2的傳熱系數(shù)比模型1高2%左右，相差不大，而模型3的傳熱系數(shù)明顯小于模型1和模型2。當(dāng)風(fēng)速接近3m/s并增加至6m/s的過(guò)程中，模型2的傳熱系數(shù)大于模型1，模型3的傳熱系數(shù)雖然繼續(xù)增大但是明顯小于模型1與模型2，當(dāng)差值最大時(shí)，模型2比模型1的傳熱系數(shù)高11%左右，模型2較模型3高46%左右。因此，結(jié)合圖1可得出在相同風(fēng)速下模型2的換熱效果好于模型1和模型3，模型3的換熱效果最差。雖然隨著風(fēng)速增加，傳熱系數(shù)增大，但是從圖中可以得出，風(fēng)速由1m/s至3m/s的過(guò)程中，三種模型的傳熱系數(shù)提高幅度很大，當(dāng)風(fēng)速約為4m/s時(shí)，傳熱系數(shù)的提高幅度逐漸減小。按照風(fēng)速總的變化范圍進(jìn)行比較，模型2的傳熱系數(shù)高于模型1和模型3。圖4為壓降與風(fēng)速的關(guān)系曲線，當(dāng)風(fēng)速為1～3m/s左右時(shí)，模型1與模型2的壓降均隨風(fēng)速的增加而增大，且沒(méi)有明顯差別，模型3的壓降明顯大于模型1與模型2。風(fēng)速接近3m/s并增加至6m/s的過(guò)程中，模型1與模型2的壓降繼續(xù)增大，模型2的壓降逐漸小于模型1的壓降。而模型3的壓降在風(fēng)速1～6m/s的區(qū)間內(nèi)，呈近似線性關(guān)系。通過(guò)對(duì)圖4的分析可知，模型2的壓降最小，模型3的壓降及壓降增幅最大。綜合圖2、圖3和圖4可知三種模型的底面芯片最高溫度隨著風(fēng)速的增大而下降，傳熱系數(shù)隨風(fēng)速的增加而增大，但變化幅度逐漸減小，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本保持一致。原因是三種模型隨著風(fēng)速增加而壓降也在增大，即流動(dòng)阻力增大，這部分能量又以熱量的形式被散熱片吸收，使得傳熱系數(shù)的增大幅度減小，導(dǎo)致底面芯片最高溫度的下降幅度減小。另一方面是由于風(fēng)速的增加對(duì)熱邊界層厚度的削弱作用也是有限的。

雖然提高風(fēng)速可以提高傳熱系數(shù)，降低底面芯片最高溫度，但是風(fēng)速增加會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇消耗泵功的增加，同時(shí)壓降隨著風(fēng)速的增加而增大，而CPU風(fēng)扇不能承受過(guò)大的壓降，因此散熱片的選取，應(yīng)滿足具有良好的換熱效果、壓降相對(duì)較小的條件。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，可以得出在三種模型中滿足條件的是模型2，即由底面沿高度方向截面呈收縮式的散熱片。本文對(duì)于三種模型的傳熱特性分析是基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果得出的，與實(shí)驗(yàn)[3]相比，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素的影響，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差，但是通過(guò)合理的簡(jiǎn)化計(jì)算模型及合理選取邊界條件，保證了計(jì)算精度，使數(shù)值模擬出的結(jié)果與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠保持基本一致。

3結(jié)束語(yǔ)

三種散熱片的換熱效果均隨著風(fēng)速的增加而增強(qiáng)，隨著風(fēng)速進(jìn)一步增加，換熱效果繼續(xù)增強(qiáng)，但是增強(qiáng)程度下降，結(jié)合壓降隨著風(fēng)速的增加而增大的規(guī)律，不應(yīng)為更好的換熱效果過(guò)度提高風(fēng)速而忽略壓損的影響。在相同加熱功率不同風(fēng)速下，比較三種模型的底面芯片最高溫度、傳熱系數(shù)和壓降的變化，可知收縮式散熱片，即模型2的換熱效果最好且壓降最小，優(yōu)于模型1和模型3。因此，采用收縮式散熱片可以為高熱流密度的電子設(shè)備冷卻方案的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。