李祎

廈門(mén)理工學(xué)院（廈門(mén)　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(mén)理工學(xué)院（廈門(mén)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(lái)，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(guò)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(kāi)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(mǎn)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(guò)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(lài)于肋片間的空氣流速。目前，有相關(guān)研究通過(guò)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(wèn)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(guò)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(wú)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(lái)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(xiàn)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(wèn)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(kù)。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(yǔ)

目前，隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)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(wèn)題越來(lái)越被人們所重視，對(duì)該問(wèn)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(wèn)題的解決能力。目前，大部門(mén)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(wèn)題的解決實(shí)踐能力是當(dāng)務(wù)之急。本文通過(guò)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(wèn)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(wèn)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