微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元分析

李祎

廈門理工學院（廈門　361000）

微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元分析

李祎

廈門理工學院（廈門361000）

采用流體力學（CFD）研究方法，進行微矩形槽平板熱管的數值模擬，并且采取有限元分析方法，探討微矩形槽平板熱管運行的影響因素，在此基礎上，構建科學合理的微槽平板散熱片的CFD熱阻模型，并且根據研究成果，優化微槽平板散熱片結構設計，旨在實現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濟效益。

微矩形槽平板；熱管；數值模擬；有限元分析

近年來，電子技術的發展勢頭強勁，且充分的彰顯出高集成、高功率特性，另外，電子設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50W/cm2［1］。但是，由于電子元器件在工作運行狀態下，需要對溫度進行有效的控制，而且在長期過熱或者長期不均勻熱應力的作用下，容易導致各種各樣的運行故障發生，或者造成相關設備失靈。因此，為了強化功率器件的散熱能力，應該增強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用熱潮，基于此，本文對微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元展開探討，期望能夠產生一定的積極效用。

1　微矩形槽平板熱管研究現狀

微矩形槽平板熱管（散熱片）的制成材料為：銅或鋼材（屬于良好的導熱材料），另外，作為性能良好的熱導體—金屬，同樣的能夠作為微矩形槽平板熱管的制作材料（熱量以對流和輻射方式散熱）。本次研究項目，選用銅作為微矩形槽平板熱管的制作材料，原因為：銅是良好的熱導體，市場價格較低，且易于操作，同時可以滿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，也就是將產生的熱量通過散熱片散發到特定的環境中。微矩形槽平板熱管平板散熱片結構如圖1所示，從結構圖中我們可以看出：微矩形槽平板熱管平板散熱片由底板和肋片兩部分構成。而且據相關研究證實：微矩形槽平板熱管平板散熱片的設計核心為：肋片的設計（包括肋片的數量、尺寸、布局、間距以及表面狀況等），同時，散熱片的數量、表面積與其散熱功能呈正相關關系，即：散熱片的肋片越多，其散熱表面積越大，其散熱功能就越強大。另外，不同的肋片高度以及不同的肋間距會對散熱的對流面積造成直接影響，同時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氣流組織以及換熱系數。

圖1　微矩形槽平板熱管平板散熱片結構圖

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于肋片間的空氣流速。目前，有相關研究通過減少肋片間距、肋片的數目的方式，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］。舉個例子，如Malhammеr［3-4］對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境的溫差及流速條件下進行）發現：散熱片的散熱量與肋間距呈正相關關系，且進行了對比性探究（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、芯片表面與環境的溫差條件下，兩者也具有密切的互動關系。

蔣長順等［5］用CFD軟件，對微矩形槽平板熱管進行了數值模擬（具有平板型熱沉的三維多芯片組件），得出：熱沉肋片數能夠影響散熱片最高結點溫度，并且在肋片的厚度為常數的情況下，熱沉表面的熱交換系數與肋片數、熱沉與流體的接觸面積呈正相關關系，能夠將更多的熱量由空氣流體散發到環境中，因此，可以有效的（或者顯著的）減小芯片的最高結溫。徐高衛，薛建順［6］等采用CFD方法對對微矩形槽平板熱管熱流場的進行模擬優化，與此同時，充分的驗證了CFD方法的可行性。另外，對散熱片的材料也進行了對比計算（材料選為鋁和銅），進行模擬對比。研究證實：在給定熱源與環境的溫差條件下，銅制散熱片的散熱效果優于鋁制散熱片的散熱效果（鋁的傳導熱的能力次于銅），但是鋁的傳導熱的能力基本能夠符合相應熱傳遞要求。在特殊條件或者若要進一步提高散熱能力，則需要適當的降低鋁的傳導熱的能力，也就是適當的降低散熱片外熱阻（或者增強對流換熱系數）。

2　微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元實驗分析

微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元實驗有幾個步驟，如下：

2.1微矩形槽平板熱管的數值模擬實驗

微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元實驗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，為了證實微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元實驗的有效性，改變散熱片上肋片的數量、肋片間距以及尺寸，并且在此基礎上，設計一系列對比實驗。根據實驗數據，探討肋片幾何尺寸對散熱性能的影響，旨在為CFD數值模擬提供必要且有效的理論依據。

2.2構建科學合理的微矩形槽平板熱管散熱片的CFD熱阻模型

在上述的實驗基礎上，對一系列幾何尺寸的微矩形槽平板熱管散熱片進行仿真模擬，并且構建建科學合理的微矩形槽平板熱管散熱片的CFD熱阻模型。

2.3構建具有指導性質的微矩形槽平板熱管散熱經驗公式

將上述的模擬實驗結果與仿真試驗結果進行對比，獲取指導性質的微矩形槽平板熱管散熱經驗公式，也就是熱阻及對流換熱系數表達式。

2.4研究成果在微矩形槽平板熱管散熱片結構設計中加以應用

將本次研究所獲取的散熱經驗公式、肋間距與肋片厚度的尋優尺寸等具有指導性質的經驗值，并且在適當的減少散熱片的設計試驗次數條件西啊，快速且高效的應用于微矩形槽平板熱管散熱片結構設計中。

3　要解決的科學技術問題

（1）微矩形槽平板熱管散熱機制比較復雜，而且微矩形槽平板熱管散熱成效（換熱系數）往往受肋片間距、肋片厚度、肋片數等諸多外在因素的影響，而且值模擬及有限元試驗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際性能，因此，在實驗過程中，應當注意研究微矩形槽平板熱管散熱機制，控制外在因素的負面影響。

（2）探究微矩形槽平板熱管散熱片性能時，往往散熱片長期加熱，而相關研究數據的采集精確度要求非常的高，高溫容易造成相關數據丟失，在實際測量工作中，容易出現偏差，而且具有偏差的數據信心難以保障對微矩形槽平板熱管散熱片性能的探究安全無誤。因此，在實驗、測量等工作中，應當注意：將實驗溫度控制在科學合理的范圍內，提出驗證實驗數據有效性的理論依據，從而有效的保證微矩形槽平板熱管散熱片散熱效率檢測的準確性。

（3）邊界條件和參數的確定在建立散熱片的仿真模型時是十分令人頭疼的穩態，需要根據傳熱學、流體力學以及散熱片幾何尺寸參數等相關建設實驗條件來確定，從而保障仿真模型的準確創建。

4　微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元技術流程

微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元技術流程如圖2所示。

圖2　項目技術路線流程圖

5　微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元技術發展展望

目前，國內外的學者對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）。并且提出了比奧準則，但有研究在認為比奧準則適用于大尺寸平板散熱片（肋間距不小于4～6 mm），對微槽道型平行板散熱片則不適用.同時M Ishizuka*，YYokono and D Biswas建立了較為精確的CFD模型，該模型對大尺寸的微槽的散熱性能有精度較高的預測能力。但是當槽道寬度小于2mm時，該模型對微槽的散熱性能的預測和實驗結果比對有明顯偏差。

對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鍵問題。本項目將采用CFD方法對微槽平板散熱片的散熱性能進行數值模擬，建立微槽平板散熱片的CFD熱阻模型，得出散熱經驗公式。研究成果可用于設計微槽平板散熱片的結構和優化，從而有效減少前期研究的投入成本和降低研究周期。

本項目以計算仿真分析為主，以試驗手段為輔，使用FLUENT軟件，構造微槽平板散熱片的CFD仿真模型庫。而且隨著微電子技術的日益發展，對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。本次研究所創建的CFD模型和經驗公式，對于微槽平板散熱片的結構設計和優化很大的指導意義，可以降低相關的研發投入，節約成本，有很好的經濟效益。

6　結語

目前，隨著電子工業的快速發展，越來越多功能強大的電子設備產品被廣泛用于各個領域。與此同時，散熱問題越來越被人們所重視，對該問題的研究也變得更加重要。眾所周知，電子組件工作時，設備產生出的熱能需要立即脫離其本身（這是因為：設備熱能越高，其自身熱量越需要盡快散發掉，兩者呈負相關關系）。此外，子元件的工作效率與其伴隨設備的溫度同樣的呈負相關關系，即：會伴隨設備溫度的升高而大大地消減。因此，設備的溫度達到一定高度時，便會對設備造成一定程度的損害，在此條件下，需要強化電子設備散熱問題的解決能力。目前，大部門項目工程停留在實驗室研究，或者片面的追求理論知識的升級，因此，提升問題的解決實踐能力是當務之急。本文通過分析微矩形槽平板熱管研究現狀、微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元實驗分析、科學技術問題分析、微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元技術流程設計以及微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元技術發展展望，探究總結了解決電子設備的散熱問題的重要性?？偠灾?，微矩形槽平板熱管的數值模擬及有限元分析需要綜合考量肋片間距、肋片厚度、肋片數等諸多外在因素，在先進的信息技術的支持下，構建科學合理的微矩形槽平板熱管散熱片的CFD熱阻模型、構建具有指導性質的微矩形槽平板熱管散熱經驗公式、研究成果在微矩形槽平板熱管散熱片結構設計中加以應用等。本文的分析闡述可能存在一定的片面性，需要進一步深入研究，但是本文的實驗性研究具有重要的借鑒價值，能夠有效的指導相關工作的優化升級，因此，不可武斷的評價本文的優劣，期望本文能夠產生一定的積極效用。

［1］劉東，劉明侯，徐侃，等.微細槽道散熱器性能試驗和數值研究［J］.中國科學技術大學學報，2008，39（1）：57-62.

［2］西利J H，褚R C.微電子設備的換熱［M］.余川譯.北京：國防工業出版社，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］蔣長順，謝擴軍，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，薛建順，朱文杰，等.超級計算機機箱的熱流場特性研究和優化設計［J］.機械設計與研究，2006，22（6）：57-61.

（責任編輯：文婷）

［O242.21］

A

1003-3319（2016）03-00012-03

10.19469/j.cnki.1003-3319.2016.03.0012