作者：范偉 李慧君 單位：華北電力大學

1散熱片模型與計算模型

1.1散熱片模型幾何尺寸選取三種形狀的散熱片模型，如圖1所示，分別為矩形截面的散熱片模型1、收縮式散熱片模型2和擴散式散熱片模型3。各散熱片的幾何尺寸如表1所示。

1.2計算模型及邊界條件為簡化計算并保證計算精度，將圖1(a)(b)(c)三種計算模型復雜的傳熱過程做如下假設：(1)流體區域內流動的物質為空氣，其物性參數為常數；(2)空氣做強制流動，流動是三維定常層流；(3)散熱片的傳熱方式為對流換熱，忽略熱輻射；(4)假設出口局部單向化。控制方程組的求解方法采用求解壓力耦合方程的半隱方法，即SIMPLE算法[10]。計算模型的邊界條件為：進口邊界給定流體的進口平均風速，取等溫邊界條件；模型底面為等熱流密度；流固耦合面上的邊界條件按壁面函數法設置確定。

2計算結果及分析

將GIMBIT繪制的三種模型(如圖1所示)導入FLUENT軟件進行數值模擬，設置模型兩個側壁溫度為313K，速度取變量，溫度293K，底面發熱面芯片的功率為60W，對流換熱溫度333K。對三種模型分別在入口風速為1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s及6m/s的工況下進行計算，得出三種模型的底面芯片最高溫度、傳熱系數以及壓降在不同風速下的變化關系。由圖2可知風速與底面芯片最高溫度的變化關系，三種散熱模型隨著風速的提高，散熱器的底面芯片最高溫度均有降低，風速越高溫度越低，散熱效果越好。風速在1~3m/s，模型2與模型1的底面芯片最高溫度基本相同，模型3的底面最高溫度一直高于模型1和模型2。當風速達到3m/s時，模型1和模型2的底面溫度約為321K，均好于模型3的散熱效果。當風速在3~6m/s，模型2的底面溫度明顯低于模型1、3的溫度，當風速達到6m/s時，模型2的底面溫度在317K左右，是三種模型底面芯片最高溫度中最低的，而模型3的底面溫度最高，接近321K。

圖3為傳熱系數與風速的關系曲線，隨著風速的增加，三種模型的對流換熱系數均有增大，當風速在1~3m/s，模型2的傳熱系數比模型1高2%左右，相差不大，而模型3的傳熱系數明顯小于模型1和模型2。當風速接近3m/s并增加至6m/s的過程中，模型2的傳熱系數大于模型1，模型3的傳熱系數雖然繼續增大但是明顯小于模型1與模型2，當差值最大時，模型2比模型1的傳熱系數高11%左右，模型2較模型3高46%左右。因此，結合圖1可得出在相同風速下模型2的換熱效果好于模型1和模型3，模型3的換熱效果最差。雖然隨著風速增加，傳熱系數增大，但是從圖中可以得出，風速由1m/s至3m/s的過程中，三種模型的傳熱系數提高幅度很大，當風速約為4m/s時，傳熱系數的提高幅度逐漸減小。按照風速總的變化范圍進行比較，模型2的傳熱系數高于模型1和模型3。圖4為壓降與風速的關系曲線，當風速為1～3m/s左右時，模型1與模型2的壓降均隨風速的增加而增大，且沒有明顯差別，模型3的壓降明顯大于模型1與模型2。風速接近3m/s并增加至6m/s的過程中，模型1與模型2的壓降繼續增大，模型2的壓降逐漸小于模型1的壓降。而模型3的壓降在風速1～6m/s的區間內，呈近似線性關系。通過對圖4的分析可知，模型2的壓降最小，模型3的壓降及壓降增幅最大。綜合圖2、圖3和圖4可知三種模型的底面芯片最高溫度隨著風速的增大而下降，傳熱系數隨風速的增加而增大，但變化幅度逐漸減小，這與實驗結果基本保持一致。原因是三種模型隨著風速增加而壓降也在增大，即流動阻力增大，這部分能量又以熱量的形式被散熱片吸收，使得傳熱系數的增大幅度減小，導致底面芯片最高溫度的下降幅度減小。另一方面是由于風速的增加對熱邊界層厚度的削弱作用也是有限的。

雖然提高風速可以提高傳熱系數，降低底面芯片最高溫度，但是風速增加會導致風扇消耗泵功的增加，同時壓降隨著風速的增加而增大，而CPU風扇不能承受過大的壓降，因此散熱片的選取，應滿足具有良好的換熱效果、壓降相對較小的條件。通過對計算結果的分析，可以得出在三種模型中滿足條件的是模型2，即由底面沿高度方向截面呈收縮式的散熱片。本文對于三種模型的傳熱特性分析是基于數值計算結果得出的，與實驗[3]相比，由于實驗設備和相關實驗環境等因素的影響，計算結果與實驗數據存在一定的誤差，但是通過合理的簡化計算模型及合理選取邊界條件，保證了計算精度，使數值模擬出的結果與相應實驗結果能夠保持基本一致。

3結束語

三種散熱片的換熱效果均隨著風速的增加而增強，隨著風速進一步增加，換熱效果繼續增強，但是增強程度下降，結合壓降隨著風速的增加而增大的規律，不應為更好的換熱效果過度提高風速而忽略壓損的影響。在相同加熱功率不同風速下，比較三種模型的底面芯片最高溫度、傳熱系數和壓降的變化，可知收縮式散熱片，即模型2的換熱效果最好且壓降最小，優于模型1和模型3。因此，采用收縮式散熱片可以為高熱流密度的電子設備冷卻方案的設計和改進提供參考。