李賢昌，張瑛，王芳（太原科技大學(xué)，山西太原030024）

·試驗(yàn)研究·

泡沫鎂散熱器強(qiáng)制對流散熱性能模擬研究

李賢昌，張瑛，王芳
（太原科技大學(xué)，山西太原030024）

通孔泡沫鎂合金因其比表面較大且金屬骨架的導(dǎo)熱系數(shù)大，兼具強(qiáng)度、硬度高等特點(diǎn)，有望成為散熱器的核心材料，以解決電子產(chǎn)品的散熱問題。本文通過數(shù)值模擬的方法對泡沫鎂合金散熱器在強(qiáng)制對流下的散熱情況進(jìn)行探討。結(jié)果表明，泡沫鎂散熱器散熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)散熱器。其結(jié)構(gòu)參數(shù)對其散熱性能影響較大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、壓降都隨孔隙率、孔徑的增大而減小，但其綜合散熱性能卻隨著孔隙率、孔徑的增大而增大。

泡沫鎂；散熱器；強(qiáng)制對流

現(xiàn)如今，高集成電子產(chǎn)品在其運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果這些熱量不能夠及時(shí)散掉，就會(huì)在其核心部件周圍聚集，影響其性能，所以電子產(chǎn)品的散熱問題成為制約其快速發(fā)展的主要因素。而泡沫鎂因其比表面較大且金屬骨架的導(dǎo)熱系數(shù)大，有望成為散熱器的核心材料，解決電子產(chǎn)品的散熱問題[1-3]。

本文針對泡沫鎂復(fù)雜的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提出一種簡化幾何模型，在此基礎(chǔ)上計(jì)算泡沫鎂的有效熱導(dǎo)率。同時(shí)在此幾何模型上，模擬泡沫鎂散熱器在強(qiáng)制對流下的散熱情況，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以期了解泡沫鎂散熱器強(qiáng)化散熱的機(jī)理，推動(dòng)電子產(chǎn)品的快速發(fā)展。

1 幾何模型

1.1 單胞幾何模型

根據(jù)前人提出的立方體幾何模型，在一定程度上將各項(xiàng)同性的開孔泡沫金屬材料抽象表征為具有規(guī)則立方體的拓?fù)淠Ｐ?，由于孔洞總是朝著表面能最小的方向轉(zhuǎn)變，球型孔洞的表面能最小，在立方體的單胞中心去掉球型孔洞，即可得到開孔泡沫金屬的單胞模型，這些單胞的金屬骨架相互銜接，就構(gòu)成了開孔泡沫金屬體。圖1為泡沫金屬微觀結(jié)構(gòu)，圖2為泡沫金屬單胞模型。

圖2表明泡沫鎂單胞中的中心孔隙會(huì)和8個(gè)棱角的孔隙有重合部分，兩重合孔隙的重合體積為：

圖1 泡沫金屬微觀結(jié)構(gòu)

圖2 泡沫金屬單胞模型

頂點(diǎn)處的八個(gè)孔隙球體積有部分體積屬于中心孔隙主體積，被中心孔隙主體積占據(jù)的體積為：

考慮到泡沫鎂合金的單胞在整個(gè)幾何形狀中的周期性，頂點(diǎn)的體積在每個(gè)單胞中只占1/4，從而，流體在泡沫鎂合金立方體中所占的體積為：

將式（4）帶入（1）中，得到單胞的孔隙率ε為：

1.2 宏觀泡沫鎂散熱器的幾何模型

設(shè)計(jì)泡沫鎂散熱器幾何形狀設(shè)計(jì)如圖3，其基本尺寸為：散熱器的泡沫鎂基板面積是50mm×50mm，厚度為8mm；泡沫鎂翅片高度為27mm，厚度為5mm；兩個(gè)翅片之間的距離為3mm.

圖3 泡沫鎂散熱器

所模擬的散熱器很規(guī)則，因此采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化處理，如圖4所示。

2 泡沫鎂散熱器中對流換熱數(shù)學(xué)模型

在進(jìn)行模擬之前作出如下假設(shè)[4-6]：

1）泡沫鎂合金的孔隙均勻且為球形；

2）忽略熱彌散效應(yīng)；

3）忽略自然對流；

4）忽略熱輻射。

式（6）～（10）為所用方程。

連續(xù)方程：

圖4 泡沫鎂的散熱器網(wǎng)格劃分

應(yīng)用F L U E NT6.3軟件模擬泡沫鎂散熱器，采用F L U E NT6.3提供的多孔介質(zhì)模型，多空介質(zhì)上的流動(dòng)阻力，由粘性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)兩部分組成：

3 模擬結(jié)果和分析

3.1 表面換熱系數(shù)

圖5，圖6分別為不同孔隙率和孔徑下的表面換熱系數(shù)，在相同孔徑下，泡沫鎂散熱器的表面換熱系數(shù)隨著孔隙率的增大而減小，而在相同孔隙率下，表面換熱系數(shù)隨著孔徑增大而減小。

3.2 壓降阻力

圖7、圖8分別為不同孔隙率和孔徑下的壓降阻力。隨著入口處流體流速的增加，泡沫鎂合金散熱器的壓降都會(huì)增加，當(dāng)孔隙率越小，泡沫鎂散熱器的壓降和流速的關(guān)系趨于二次方程。而當(dāng)流體的流速以及泡沫鎂的孔隙率相同時(shí)，壓降隨孔徑的增大而減小。這是因?yàn)椋瑔挝惑w積下，泡沫金屬的孔徑越大，對應(yīng)孔密度就越小，金屬骨架就越少，對流體的阻礙作用越弱，壓降越小。

圖5 不同孔隙率下的表面換熱系數(shù)

圖6 不同孔徑下的表面換熱系數(shù)

圖7 不同孔隙率下的壓降阻力

圖8 不同孔徑下的壓降阻力

3.3 綜合換熱性能

為了綜合評價(jià)泡沫鎂散熱器的散熱性能，引入一個(gè)換熱系數(shù)壓降比：

圖9泡沫鎂散熱器的換熱壓降比和流速的關(guān)系。由圖9所得：當(dāng)泡沫鎂散熱器的孔徑為2.4左右時(shí)，換熱壓降比大，也就是說換熱效果好，其中孔隙率為70%的散熱效果最好；同時(shí)隨著流體流速的增加，泡沫鎂散熱器的換熱系數(shù)壓降比都有所下降，但是孔徑越大，下降的幅度越大；同時(shí)孔徑對換熱系數(shù)的影響較孔隙率大。

圖9 泡沫鎂散熱器的換熱壓降比和流速的關(guān)系

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 數(shù)據(jù)對比

太原科技大學(xué)王超星等通過制備不同孔隙率、孔徑的泡沫鎂散熱器[5]，用試驗(yàn)的方法研究強(qiáng)制對流換熱狀況下不同泡沫鎂散熱器的散熱狀況。圖10為實(shí)測CP U溫度曲線與模擬結(jié)果比較。

圖10表明泡沫鎂散熱器能夠有效降低CP U的溫度，但是模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差別很大。這是因?yàn)椋谀M過程中，使用的流體為理想氣體，并且忽略了計(jì)算機(jī)機(jī)箱中電源、顯卡等其他電子元件的散熱，流體的溫度設(shè)定為25℃，而實(shí)際測試過程中，當(dāng)CP U的使用率達(dá)到100%時(shí)，其周圍的溫度已經(jīng)達(dá)到40℃，因此實(shí)際測得CP U的溫度比模擬加熱面的溫度高的多。

4.2 誤差分析

1）模擬實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)泡沫鎂完全均勻介質(zhì)，且沒有缺陷，是一種理想狀態(tài)，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試中使用的泡沫鎂是澆注鹽粒預(yù)制體的鑄造滲流法制備的，存在各種各樣的缺陷，比如：金屬骨架澆不足，鹽粒腐蝕金屬基體等等。

圖10 CPU低功耗的溫度曲線

2）模擬試驗(yàn)中，空氣設(shè)定為理想氣體，且溫度恒為25℃，泡沫鎂也為恒定物性參數(shù)；而實(shí)際測試中的CP U周圍的空氣受到電子元件散熱的影響，使流體溫度偏高，且泡沫鎂的物性并不恒定，會(huì)隨溫度的變化而改變。

3）模擬過程中忽略了彌撒效應(yīng)和泡沫鎂散熱器的熱輻射。在強(qiáng)制對流作用下，忽略彌撒效應(yīng)會(huì)對結(jié)果造成一定的誤差。

4）模擬過程中忽略了Y、Z方向上的流速，而在實(shí)際應(yīng)用中，由于風(fēng)扇的安裝位置不同，使流體在Y、Z上都有一定的流速。

5 結(jié)論

模擬了泡沫鎂散熱器散熱性能，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、壓降隨孔隙率、孔徑的增大而減小，用換熱系數(shù)壓降比評價(jià)其綜合散熱性能，其隨著孔隙率、孔徑的增大而增大。泡沫鎂散熱器能夠有效降低CP U的溫度，和實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況相符。

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Simulation of Foamed Magnesium Heat Dispersion under Forced Convection

LIXian-chang，ZHANG Ying，WANG Fang
（Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi030024，China）

Foamed magnesium is expected to become the corematerial of the radiator to solve the cooling problem of electronic products，because of its larger specific surface area，and the thermal conductivity of themetal skeleton.The heat dissipation of foamed magnesium radiator under forced convection was discussed.The results showed that the cooling effect of two kinds o foamed magnesium radiator is better than the traditional CPU radiator and the factors influencing the heat dissipating tproperty includes porosity，and pore size.The surface heat transfer coefficient and the pressure drop of the foamed magnesium radiator decreases with the increase of porosity and pore size，while the comprehensive heat dissipation increaseswith the increasing porosity and pore size.

foamed magnesium，radiator，forced convection

TQ132.2；TB383.4

A

1674-6694（2017）03-0019-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.007

2017-04-25

李賢昌（1994-），男，本科生。

王芳（1972-），女，副教授。

太原科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目XJ2016024.