型材散热器热特性分析

2002年8月西安电子科技大学学报自然科学版)Aug.2002第29卷第4期JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITYVol 29 No 4型材散热器热特性分析韩宁l,余墨娟,赵惇殳1,徐国华11.西安电子科技大学机电工程学院陕西西安7100772.信息产业部电子第三研究所北京100015)摘要∶采用数值方法对型材散射器的三维流场及温度场进行了分析计算.对流项的离散采取了一阶迎风格式用 SIMPLEC算法在交错网格上进行迭代计算.流场中气体和固体区域采用了整体求解方法.在此基础上定量分析了结构因素对散热器热阻的影响.实验数据表明了该算法的有效性关键词:散热器热分析数值方法中图分类号:K1;文献标识码∶文章编号:1001-240(2002)40551-05Thermal-characteristic analysis of the plate fin heat sinkHAN Ning, YU Mo-juan2, ZHAO Dun-shu, XU Guo-hua'(1. School of Electromechanical Eng., Xidian Univ., Xi'an 710071, China2. The Third Research Inst. of MIl, Beijing 100015, ChinaAbstract: The three-dimensional velocity field and temperature field of the plate fin heat sink are calculated bynumerical methods, The upwind difference scheme is used to deal with the discretization of the convection-diffusionterm.The pressure-velocity coupling is treated with the SIMPLEC algorithm using a staggered grid system. The sameset of momentum and energy equations are solved for the solid and fluresistances and sink structure is numerically analyzed on this basis. Finally experimental results show that thalgorithm is effectiveKey Words: plate fin heatsink athermal analysis numerical methods虽然型材散热器已有了相应的国家标)GB7423.2-87)但其中的自然对流和强迫风冷条件下的热阻关系曲线均为实验数据整理所得与实际应用有一定误差.在散热器的数值热分析方面, Tuckerman和 Pease在忽略了肋片中沿流体流动方向的导热后建立了散热器准二维肋模型 Samalan则获得了该模型的一个级数形式的精确解2]. Harpole和rigr运用多孔介质流动中的pary定律建立并求解了散热器二维传热模型3在国内喻世平和辛眀道对微通道结构的散热器进行了实验研究4.上述二维或准二维模型在等壁温或等热流密度情况下能给岀比较满意的计算结果但当实际散热器不满足上述条件时会引起较大误差.此外如果不考虑固体肋片对流场的三维扰动作用也会影响计算精度.笔者采用数值传热学的基本理论和方法直接对型材散热器的三维稳态流场和温度场进行了数值模拟得出了一些有益的结论1数值热分析原理对于不可压缩流体在三维欧拉空间中取一任意形状的封闭体称为控制容积)将质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律用于该控制容积后可以得到微分中国煤化工连续方程·VCNMHG收稿日期2001-09-12基金项目国家部委科技预研基金资助项目(J6.33)作者简秀数71)男师安电子科技大字博主研究生552西安电子科技大学学报自然科学版)第29卷Navier-Stokes方程dvdt=f-(l/p)Vp+pV2v,能量方程de/dt=(k/p)v2r+q+(1/p)(3)式中∫为体积力φk为单位体积的辐射能Φ为流体的粘性耗散能量〃为流体粘度k为流体导热系数ρ为流体密度对于低Re数流动需要考虑自然对流作用.笔者采用了 Boussinesq近似详见文献5])故方程(2)(3)可简化为Navier-Stokes方程dv/dt)=-Vp-p0gk+v2v+apo△Tgk能量方程dT/dt=(k(pCn))V2T(5)式中cn为流体的比定压热容在直角坐标系中为了程序编制的通用性,可将式1)-(5玫写成如下通用形式))o dr+pay、lg+P0式中φ为通用变氲u,,T),为广义扩散系数S为广义源项对于上面所列的偏微分方程组直接求解十分困难更多的是采用数值计算方法.由于流体流动所固有的迎风”特性目前在国际计算流体动力学界有限差分或有限体积珐法占了绝对的优势.文中采用了基于有限差分方法的有限体积法对于流场中包含的固体区域采用了整体法求解即在程序中并不区分固体区和流体区二者的区别仅仅表现在物性参数上.确定物性参数的主要原则是保证各个控制容积的质量流量和热流密度连续具体方法为流体的物性参数取实际值固体区域的粘度取极大值(一般可取为100),固体密度取流体密度以保证控制容积界面上的质量流量连续固体热容取流体热容以保证界面热流密度连续其他物性参数均取固体的实际值不可压流场的数值求解中主要存在两大难点:是对流扩散项的离散格式;是压力与速度的耦合问题.为了提高计算精度笔者采用了乘方格式来离散对流-扩散项离散后所得线性方程组的形式为ap=ag+amφ+aNy+ass+ar中+aBg+b,(7)式中各系数apAg等的具体形式参见文献5上述方程组是非对称、稀疏的因此往往采用迭代法求解.为了加快迭代收敛的速度篷者采用了TDMA〔三对角矩阵直接解法厢AD〔交替方向块迭代黠合的方法为了解决压力与速度的耦合问题笔者采用了基于交错网格的 SIMPLEC方法具体实验步骤见5]在上述基础上笔者开发了型材散热器热分析软件.该软件由用户界面模埉、数值计算模埉、材料数据库管理和维护模埉、讣算结果显示模块等部分组成2物理模型及计算边界条件热流为了验证计算结果的正确性笔者设计并加工了几种不同材料及结构的散热器样品限于篇幅.仅列岀3种散热器的计算结果.散热器的结图1散热器结构示意图构见图1.表1为3种散热器的有关结构参数表13种散热器的有编号材料导热系数(Wm-K-1)通道宽Wdm/m肋片宽WVI中国煤化工CNMHGXH/mm2通道数n铝0.5025×25×7铜3300.5025×25×73铜25×7对于男数雷的散热器结构选择的计算模型如图2所示第4期韩宁等型材散热器热特性分析553与风洞尺寸相比散热器尺寸较小因此若以风洞尺寸作为计算边界则空气部分网格过多.考虑到空气的粘度较小散热器对空气的扰动局限在其附近区域内因此将图2中的东、西及上边界虚拟边界)处理为对称轴边界.为了尽量模热翻拟实际工作状况将散热器放置在绝热垫块上,即认为热量全部由肋片散失.热源采用了片状厚膜陶瓷电阻用导热胶绝热东边粘贴在散热器底面西边界:对称轴边界,u=0,aυ/ax=0,au/ax=0,dT,dx =0东边界对称轴边界边界条件同西边界上边界:对称轴边界,w=0,u/ax=0,o/az=0,图2散热器计算模型dT/dz=0下边界非渗透性绝热固体壁面满足无滑移条件,n=t==0pT/az=0南边界次口边界,n=tt=t==0其中为来流速度山为环境温度北边界出囗边界假定流体在出口处为均匀发展即采取局部单向化假定整个计算区域在κνκ3个方向的离散网格数为59×35×17.采用作者开发的型材散热器热分析软件进行了数值计算和结果分析3计算结果分析图3为1号散热器在入口风速υx=6.5m/s的情况下半高度方向x-y平面的速度场分布图从图3可以看出由于散热器放置在自由空间中因此狭窄的肋片间距必然会对流动产生阻碍反映在图中就是散热器两旁的速度分量大肋片间的速度分量小即散热器对流体产生了推挤”作用而这一效应又必然会对温度场产生影响所以在对型材散热器进行传热分析时不能简单地将其处理成二维或准二维模型而应该采用三维模型进行计算0.03圆04x/a0.0.04mr/图3散热器在半肋高处的速度分布图4散热器在底面处的温度分布图4为1号散热器在入口风速υ=6.5m/s环境温度t=22℃底面输入功率为7.38w的情况下底面层的温度场分布图从图中可以看出散热器的底面温度分中国煤化工口处较高具有明显的拖尾"现象整个散热器的最高温度点位于底面靠近出囗处CNMHG些均与试验结果吻合得很好定量对比见后散热器的热阻可定义为R=(T-T)Q忒中T为散热器最高温度,T为周围环境温度Q为散热功率影响散熟阻的因素很多其中冷却空气的流速无疑是比较重要的一个因为它直接决定了风机的选554西安电子科技大学学报自然科学版)第29卷择及风冷系统的结构形式.图5即为2号散热器在功率为10.57W环境温度为22℃时其热阻同冷却风速之间的关系曲线从图5可以看出散热器热阻随风速的增大而减小.在相同结构下当风速由4.0m/s提高到6.5m/s时散热器热阻由6.36℃W降为3.67℃/W降幅为41%而当风速由6.5m/s提高到10m/s时相应的热阻降幅只为γ9%.因此在冷却风速比较低时提高风速可显著地降低散热器热阻一计算值5.3.2.5冷却空气流速/(m·s散热器助片间距/mm图5定功率时风速对散热器热阻的影响图6肋片间距对散热器热阻的影响肋片间距是影响散热器热阻的另外一个重要因素.为了考查肋间距与热阻之间的定量关系选取2号散热器为研究对象在入口风速为6.5m/s散热器功耗为10.57W环境温度为22℃的条件下其热阻同肋片间距之间的定量关系如图6所示从图6可看出在某一特定风速下散热器的肋间距存在一最优值.对于1号和3号散热器数值分析的结果同样显示出上述趋势4实验结果散热器的实验可分为两类)定流速实验即固定流速改变加热功率12)定功率实验即固定加热功率改变流速.为了减小实验误差所有实验均在专用风洞中进行实验装置如图7所示风速计凤速方向/橄散热器才料采用多点测直流电温仪测量散热器上温度图7散热器实验装置示意图限于篇幅这里仅列出2号散热器的实验结果.表2为空气流速6.5m/s时的实验数据与计算数据的对比表22号散热器定风速实验结果最高肋根温度/℃热阻(℃W-1)温度计算误差室温/℃热功率/W实验值计算值实验值计算值%)4.707.07.3438.8中国煤化工10.57?CNMHG.54.455.62.2表3为2号散热器在环境温度为22℃热功率为10.57W时不同风速下的实验值与计算值的对比通过表中数据可以看出计算值和实验值的误差完全在允许的范围之内表明了计算结果的可信性第4期韩宁等型材散热器热特性分析555表32号散热器定功率实验结果最高肋根温度/℃热阻(℃W-1)温度计算误差室温/℃风速ms-1)实验值计算值实验值计算值X(%4.058.261.83.423.776.46,05结束语笔者采用数值计算方法直接求解了型材散热器的三维稳态流场及温度场实验结果表明这种方法是可行的.从结果中可以看出影响散热器热阻的因素比较多如何综合考虑这些因素使得在一定工作条件下散热器的热阻最小是工程设计中一个迫切需要解决的问题参考文献[ 1] Tuckerman D B, Pease R F W. 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