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        自然對流條件下圓柱體熱源構(gòu)形研究?

        2022-03-14 15:18:52張喬斌謝志輝范旭東林道光馮輝君
        艦船電子工程 2022年2期
        關(guān)鍵詞:構(gòu)形基座圓柱體

        張喬斌 謝志輝 范旭東 林道光,3 馮輝君

        (1.海軍工程大學艦船與海洋學院 武漢 430033)(2.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033)(3.湖南人文科技學院能源與機電工程學院 婁底 417000)

        1 引言

        隨著電子元器件高度集成化、微型化發(fā)展,單位體積中的產(chǎn)熱率越來越高,電子元器件的散熱問題已成為亟待解決的難題[1~2]。自然對流散熱方式具有靜音、安全、節(jié)能等特點,受到廣泛的重視和應用。Mukhopadhyay[3]建立了兩個離散熱源從底部加熱腔體時的二維層流自然對流模型,分析了當熱源等長度和等強度時熱源位置對流場、溫度場和熵產(chǎn)的影響,并研究了熱源長度和強度比的影響。尹輝斌等[4]研究了層流自然對流條件下芯片及石蠟/膨脹石墨復合材料在脈沖功率條件下的溫度響應以及發(fā)熱功率的不同對溫度變化的影響。蘇長智和閩劍青[5]對比研究了底部有兩離散熱源的矩形腔內(nèi)分別設置頂部冷卻和側(cè)面冷卻方式的自然對流換熱情況。

        自構(gòu)形理論[6~14]提出以來,熱源構(gòu)形優(yōu)化就是電子器件散熱問題研究的重要內(nèi)容。Bejan等[15]和Stanescu等[16]基于熱流密度和換熱系數(shù)最大化,開展了自然對流條件下圓柱熱源間距的構(gòu)形優(yōu)化。Fowler等[17]優(yōu)化了交錯分布的板式熱源間距。龔舒文等[18~20]開展了對流換熱條件下截面不變和截面改變時圓柱體熱源的構(gòu)形優(yōu)化。王剛等[21]研究了熱源強度、材料導熱系數(shù)等因素對器件最高溫度、平均Nu數(shù)等參數(shù)的影響。謝志輝等[22~24]開展了圓柱體離散熱源在對流冷卻方式下的構(gòu)形優(yōu)化。

        本文考慮實際熱源底部的導熱作用,以最高溫度最小化為目標,進一步開展自然對流散熱條件下圓柱體熱源的構(gòu)形研究,可為電子器件的實際熱設計提供理論支撐。

        2 熱源模型和數(shù)值方法

        2.1 幾何模型

        圖1為圓柱體熱源模型,模型中基座的長、寬和高分別是L、W和Hs,通道的長、寬和高分別是L、W和H,熱源的直徑和高度分別是d和Hc,L1是圓柱體底面圓心與左端口的距離。幾何約束如下:

        本文中L、W、H和Hs的取值分別是400mm、100mm、100mm和3mm,V2是矩形通道的體積。

        圖1 熱源模型

        2.2 傳熱模型

        分別選用銅和硅作為熱源和基座的材料,導熱系數(shù)分別是kc/400W?m-1k-1和ks/130W?m-1k-1。熱源的功率為2W。采用空氣為冷卻介質(zhì),為使模型更精確,考慮體積力和空氣變物性參數(shù)開展計算[25]。不考慮空氣流動粘性發(fā)熱;通道左右端口設為溫度邊界條件,其溫度T=293.15K。

        自然對流條件下,空氣流動的質(zhì)量、動量以及能量守恒方程[25]分別為

        式中:u(m?s-1)、v(m?s-1)和w(m?s-1)分別是x,y和z方向分速度,p(Pa)為壓力 ,ρ(kg?m-3)為密度,T(K)溫度 ,kf(W?m-1?K-1)為導熱系數(shù),?為產(chǎn)熱率 ,μ(Pa?s-1)為 動 力 粘 度 ,F(xiàn)x(kg?m-1?s-1、Fy(kg?m-1?s-1)和Fz(kg?m-1?s-1)分別代表x、y和z方向上的體積力。

        2.3 數(shù)值方法

        本文采用COMSOL Multiphysics軟件進行計算。首先完成網(wǎng)格獨立性檢驗,以r=23mm圓柱體熱源為例,三套計算網(wǎng)格數(shù)量分別是314761、652864和1487657,計算得到熱源的最高溫度分別是336.99K、340.03K和342.13K,其相對誤差分別是0.91%和0.62%,本文選定第二套網(wǎng)格開展計算。連續(xù)性、能量和動量的收斂標準分別為為1×10-4、1×10-6和1×10-4。

        3 對流傳熱分析

        圖2和圖3分別給出了r=11mm時的溫度場和速度場。從圖2和圖3發(fā)現(xiàn),通道中心的兩側(cè)的溫度和速度均呈現(xiàn)對稱分布,這是由于在自然對流條件下,圓柱體熱源位于通道中心處時,通道兩側(cè)的結(jié)構(gòu)對稱。圓柱體熱源外表面和基座的上表面的溫度較高,此處空氣的浮升力較大,導致圓柱體熱源外表面和基座的上表面的氣體速度較大。位于圓柱體熱源上表面的流體溫度相對于其他部分較高,這是由于r=11mm的熱源較高,空氣沿高度從下往上被加熱,而通道頂部絕熱造成的,且在熱源頂部的氣體的流速相比其他部分的流速更大。

        圖2 r=11mm時溫度場

        圖3 r=11mm時速度場

        最高溫度與最大溫差是熱源熱設計中非常重要的控制指標??刂谱罡邷囟?,可以有效避免熱點因溫度過高而燒損??刂谱畲鬁夭睿梢杂行П苊鉄嵩礈夭钸^大而受熱應力破壞。由于自然對流條件下,熱源的最大溫差可以忽略不計,故不考慮其熱應力的影響。

        圖4為Ω=1×106W/m3和L1=200mm時熱源半徑r對最高溫度Tmax的影響。從圖4看出,Tmax隨r的增加先上升后下降。當r<26mm時,隨半徑的增大,Tmax隨之上升;當r=26mm時,為熱源臨界半徑,此時Tmax達到最大值340.03K;當r>26 mm時,隨半徑的增大,Tmax隨之下降。由此可見,熱源半徑的取值需盡量遠離熱源臨界半徑。自然對流條件下,熱源的最大溫差很小,熱應力也很小,故不需考慮熱源的最大溫差這一指標。

        圖4 r對Tmax的影響

        圖5給出了Ω=1×106W/m3和r=11mm時熱源位置L1對最高溫度Tmax的影響。由圖5可見,從左端到右端,隨著L1的增大,Tmax先下降后上升,且在L1=200mm兩側(cè)最高溫度變化的趨勢是對稱的。這是在自然對流條件下,由于模型的對稱性,熱源到左端的距離和到右端距離相等時,熱源對系統(tǒng)的影響也一定相同。當L1=200mm時,即熱源位于通道中心處,Tmax取到最小值,為339.79K。因此可見,在實際熱設計中,需要盡可能地將熱源布置在通道中心處。

        圖5 L1對Tmax的影響

        圖6為r=11mm,ks=130W?m-1K-1時熱源導熱系數(shù)kc對最高溫度Tmax的影響。圖7為r=11mm,kc=400W?m-1K-1時基座導熱系數(shù)ks對最高溫度Tmax的影響。從圖6和圖7看出,Tmax隨kc和ks的增加均不斷下降,但下降趨勢逐漸平緩。在實際熱設計中,盡量選用高導熱系數(shù)的熱源和基座材料。

        圖6 kc對Tmax的影響

        圖7 ks對Tmax的影響

        4 結(jié)語

        本文建立了三維圓柱體熱源自然對流散熱模型,以最高溫度最小化為目標,開展了自然對流散熱條件下圓柱體熱源的構(gòu)形研究。結(jié)果表明:增大熱源半徑,熱源最高溫度先上升后下降,存在一個熱源臨界半徑,使得熱源的最高溫度取得最大值;隨著熱源位置從左端口到右端口的移動,最高溫度先下降后上升,最小值在通道中心處取得;最高溫度隨熱源和基座的導熱系數(shù)的增加均不斷下降。

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