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某型地面電子設(shè)備具有器件熱流密度高、總熱耗大的特點(diǎn)，常用機(jī)加工的鋁翅片配合大風(fēng)量的風(fēng)機(jī)已難以滿足該型設(shè)備的熱控要求，為了提高該型電子設(shè)備風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的性能，本文基于Icepak對(duì)其風(fēng)冷散熱器不同翅片結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了仿真分析研究，探索翅片結(jié)構(gòu)和風(fēng)機(jī)供風(fēng)方向?qū)υO(shè)備熱控性能的影響，為該型電子設(shè)備風(fēng)冷散熱器的設(shè)計(jì)提供了改進(jìn)方法。

 

仿真模型

 

01物理模型

 

某型地面電子設(shè)備風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)熱器件1和發(fā)熱器件2安裝于換熱裝置上表面，換熱裝置整機(jī)尺寸為107mm×331mm×500mm，其內(nèi)部翅片換熱器的尺寸為96mm×440mm×317mm，翅片散熱結(jié)構(gòu)上安裝有兩種發(fā)熱器件，發(fā)熱器件1總熱耗為300W，發(fā)熱器件2單個(gè)熱耗為120W，采用四個(gè)EBM 8214JH4風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，環(huán)境溫度為地面55℃。

 

 

圖1 某型風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)

 

02數(shù)學(xué)模型

 

采用Icepak仿真分析翅片換熱器的散熱性能，在仿真前做如下假設(shè)：

1) 假設(shè)空氣不可壓縮。

2) 空氣的熱物性與溫度無關(guān)。

3) 忽略輻射和空氣對(duì)流影響。

4) 熱源與散熱結(jié)構(gòu)之間存在接觸熱阻，采用厚度為1mm，導(dǎo)熱系數(shù)為8W/mK的導(dǎo)熱襯墊。

5) 發(fā)熱器件1材料為鋁合金6061，發(fā)熱器件2材料為紫銅，設(shè)備結(jié)構(gòu)材料為鋁合金6061，翅片結(jié)構(gòu)材料為鋁合金1100，翅片結(jié)構(gòu)與設(shè)備結(jié)構(gòu)之間采用釬焊，可忽略其接觸熱阻。

模型中所用材料的熱物性如表1所示。

 

表1 所用材料的熱物性

 

 

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

能量方程：

(3)

雷諾數(shù)大約在6000~9000之間，采用k-ωSST模型進(jìn)行求解。

 

在仿真過程中，采用SpaceClaim對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化（如圖2所示），采用Icepak軟件自帶的網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，在仿真過程中根據(jù)翅片結(jié)構(gòu)的變化適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格單元數(shù)目，在滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求與仿真精度的條件下，模型網(wǎng)格數(shù)量大約在1200W~2300W之間。

 

 

圖2 簡(jiǎn)化后的風(fēng)冷散熱器仿真模型

 

結(jié)果分析與討論

 

本次研究中所采用的EBM8214JH4型風(fēng)機(jī)具有壓頭大、風(fēng)量大的特點(diǎn)，在總熱耗較大的地面電子設(shè)備上廣泛使用，因此在采用EBM8214JH4時(shí)，散熱器的翅片尺寸能夠更大，對(duì)于風(fēng)冷散熱器，增強(qiáng)其散熱效果的主要手段有：①提高散熱器換熱面積，即在單位體積內(nèi)增加翅片數(shù)量；②增加氣流在翅片結(jié)構(gòu)中的湍流度。因此在本次研究中主要針對(duì)上述兩點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)分析。

 

01.翅片分段數(shù)目對(duì)散熱器熱阻的影響

 

在空氣流動(dòng)方向上翅片出現(xiàn)分段能夠有效提高氣流在翅片結(jié)構(gòu)中的湍流度，但是由于結(jié)構(gòu)的限制，在翅片結(jié)構(gòu)不變的情況下，翅片分段的增加，必然導(dǎo)致翅片總換熱面積的減小，進(jìn)而影響散熱器的總熱阻，因此在仿真分析過程中，假設(shè)翅片厚度為2mm，翅片間距為5.7mm，翅片數(shù)目為40根時(shí)，沿空氣流動(dòng)方向?qū)⒊崞謩e等分為2段、3段、4段、5段，每段之間間距為5mm時(shí)，得出散熱器的熱阻變化如圖3所示，可以得出當(dāng)翅片為1段時(shí)，散熱器的總熱阻最小，即散熱器的散熱效率最佳，而當(dāng)散熱器的翅片從1段增加至4段時(shí)，散熱器的熱阻逐漸增大，而當(dāng)散熱器的翅片為5段時(shí)，散熱器的總熱阻開始減小。從總熱阻的變化趨勢(shì)來看，進(jìn)一步增加翅片分段數(shù)目，能夠減小散熱器的總熱阻，但是需要指出的是，本次研究中所采用的散熱器中翅片高度達(dá)到96mm，分段數(shù)目的增加會(huì)導(dǎo)致翅片加工量和加工難度的上升，這在實(shí)際工程應(yīng)用中并不可取。而且從圖4散熱器安裝面溫度分布來看，溫度分布完全相似，對(duì)比整個(gè)安裝面的溫度梯度分布可以得出當(dāng)采用1段翅片結(jié)構(gòu)時(shí)，散熱器安裝面的溫度梯度相對(duì)最小，這主要是因?yàn)槌崞亓鲃?dòng)方向無分段，熱量在翅片流動(dòng)方向上能夠充分?jǐn)U散，進(jìn)而導(dǎo)致散熱器安裝面的溫度梯度更小，本次研究中，發(fā)熱器件1和發(fā)熱器件2的熱流密度差異較大，因此可以得出，當(dāng)散熱器冷卻對(duì)象的熱流密度差異較大時(shí)，采用1段翅片效果相對(duì)最佳。

 

 

圖3 翅片分段數(shù)目對(duì)散熱器總熱阻的影響

 

 

圖4 散熱器安裝面溫度分布

 

圖3所示，隨著翅片分段數(shù)目的增加，散熱器的總熱阻發(fā)生變化，這主要是由于翅片分段間隔處流場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致湍流度局部增加，圖5所示為翅片中心截面的速度場(chǎng)分布，可以看出在翅片分段出，流速發(fā)射了明顯變化，但是由于翅片分段數(shù)目有限，流速的變化影響范圍較小，幾乎僅限于分段處部分區(qū)域，結(jié)合圖3所示的總熱阻變化情況可以得出，當(dāng)散熱器結(jié)構(gòu)較大時(shí)，在一定范圍內(nèi)增加翅片分段數(shù)目并不能有效降低散熱器的總熱阻。

 

 

圖5 翅片結(jié)構(gòu)中的流場(chǎng)分布

 

02.翅片厚度對(duì)散熱器性能的影響

 

假設(shè)翅片總體積相同，改變翅片厚度和翅片數(shù)量，同時(shí)改變風(fēng)機(jī)的進(jìn)出風(fēng)方向，通過仿真分析得出以下結(jié)果，從圖6所示的散熱器總熱阻變化可以得出，對(duì)于此次研究的風(fēng)冷散熱器，采用抽風(fēng)形式時(shí)，無論翅片厚度如何變化，其總熱阻均小于吹風(fēng)形式。隨著翅片厚度的增加，散熱器的總熱阻呈現(xiàn)出先變小再變大的趨勢(shì)，對(duì)于抽風(fēng)形式，當(dāng)翅片厚度為1mm時(shí)，總熱阻最小，對(duì)于吹風(fēng)形式，當(dāng)翅片厚度為1.5mm時(shí)，總熱阻最小。

 

 

圖6 翅片厚度對(duì)散熱器總熱阻的影響

 

由圖7和圖8可知，吹風(fēng)形式下散熱器安裝面的溫度梯度遠(yuǎn)小于抽風(fēng)形式下散熱器安裝面的溫度梯度，這主要是由于本次研究中發(fā)熱器件1和發(fā)熱器件2熱流密度差距較大，發(fā)熱器件1的熱流密度和總熱耗遠(yuǎn)小于發(fā)熱器件2的熱流密度和總熱耗。因此不同的進(jìn)風(fēng)形式會(huì)導(dǎo)致散熱器安裝面溫度梯度不同。

 

由圖7可知，在抽風(fēng)形式下，當(dāng)翅片厚度為1mm時(shí)，散熱器安裝面的最高溫度低于其他三種情況，這與圖6所示的總熱阻變化趨勢(shì)相同。進(jìn)一步說明翅片厚度為1mm時(shí)，散熱器散熱效率最佳。由圖8可知，在吹風(fēng)形式下，當(dāng)翅片厚度為1.5mm時(shí)，散熱器安裝面的最高溫度低于其他三種情況，這與圖6所示的總熱阻變化趨勢(shì)相同。進(jìn)一步說明翅片厚度為1.5mm時(shí)，散熱器散熱效率最佳。

 

 

圖7 抽風(fēng)形式時(shí)散熱器安裝面溫度分布

 

 

圖8 吹風(fēng)形式時(shí)散熱器安裝面溫度分布

 

結(jié)論

 

本文對(duì)某型地面電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬研究，得出以下結(jié)論：

1) 翅片分段雖然能夠提高散熱器中流場(chǎng)的湍流度，但是對(duì)于較大的翅片結(jié)構(gòu)，分段并不能有效降低散熱器的總熱阻。

2) 對(duì)于本文討論的散熱器結(jié)構(gòu)，吹風(fēng)形式下的總熱阻大于抽風(fēng)形式下的總熱阻，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)采用抽風(fēng)形式，翅片厚度為1mm時(shí)，散熱效率最佳。

 

引用本文：

 

孫飛.基于Icepak的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器數(shù)值模擬研究[J].環(huán)境技術(shù),2022,40(01):142-146.