0 引言 电子元件在日常生活中随处可见。随着电子技术的不断发展，电子元件的集成度越来越高，人们对电子元件的性能要求也越来越高，为了达到这些要求，电子元件所需要的功率就会相应地增大。在电子元件工作时，一定会产生热量，这些热量如果不能及时地散发出去，就会在电子元件附近造成较高的温度区域，当电子元件处在高温下，其性能就会下降，而且如果热量长时间得不到散去，最终将会导致电子元件由于高温影响而烧毁[1]。 本文对电子元件机箱长方体区域附近散热进行数值分析，以电子元件为热源，分别对正常状态和满载状态进行仿真分析。根据资料可知，当电子元件处温度不超过80℃时，电子元件性能不受影响；当温度高于80℃时，需要人为地对该区域进行散热降温[2]。一种方式为加大进风口风扇的风速，也就是文中的入口速度，为长方体区域电子元件降温；另一种是通过设置散热器为电子元件散热，其材料一般为铝或铜。本文分别对不同入口速度和散热器不同材料进行对比分析，数值仿真该电子元件长方体区域的散热。 1 电子元件的数值计算模型 1.1 模型简介 计算区域几何模型如图1 所示。整个计算域为长方体区域，整体模型尺寸为80×3×15 (mm)，矩形区域中设置有散热器，下面与显卡电子元件连接，右边为进风口，左边为出风口。 图1 电子元件矩形区域几何模型Fig.1 Geometric model of rectangular area of electronic components 1.2 模型假设 由于计算机计算能力受限，为了减少模型计算量，需要进行适当的假设来减少计算量，本文做出如下假设[3]：（1）入口速度均匀，不受壁面影响；（2）散热器材料具有各项同性；（3）入口处空气温度恒定为20℃，且空气为弱可压缩。 1.3 数学模型 1.3.1 控制方程 长方体区域内空气流动的流动与传热方程包括连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。本文假设传递过程是稳态，空气流动状态为层流，空气、散热器与电子元件之间的热传递为流体和固体传热；同时，在COMSOL Multiphysics 中设置多物理场耦合模块非等温流动来进行耦合计算。此时该模型所满足的控制方程如下[4]： （1）连续性方程又称质量方程，为 式中：u，v，w——流体在x，y，z 方向上的速度分量，m/s。 （2）动量方程为 式中：Ui——i 方向上的速度分量，m/s；xi——坐标；p——流体密度，kg/m3；μ——动力黏度，kg/m·s。 （3）能量方程为 式中：T——温度，K；α——流体热扩散率，m2/s。 1.3.2 边界条件与初始值 层流模块中进风口边界条件设为速度条件，速度设置为10，15，20，25，30，35 cm/s 六个梯度，出风口边界条件设为压力条件，出口相对压力为0 MPa，其他壁条件均设为无滑移壁条件；传热模块中长方体区域设置环境温度为20 ℃，进风口温度为环境温度20 ℃，其他壁面设置为热绝缘边界，热源为电子元件，设置其正常状态发热功率为1 W，满载状态下发热功率为2 W。 2 散热模型计算 2.1 网格划分 在COMSOL Multiphysics 中利用其自带的网格模块对整体模型进行网格划分，网格类型选择四面体网格，单元大小选择常规，使用网格贡献选择流体模型。如图2 所示为散热模型网格图。 图2 散热模型网格模型图Fig.2 Grid model of heat dissipation model 2.2 材料属性 长方体散热计算区域材料设置为空气，电子元件材料设置为硅，散热器材料分别设置两种材料对比计算，第1 次仿真计算时设置散热器材料为铜，保存此次计算结果，第2 次仿真计算时设置散热器材料为铝，其他计算域材料不变，同样保存此次结果。材料参数均可在COMSOL Multiphysics 中材料库进行添加，其材料属性如表1 所示[5]。 表1 材料属性Tab.1 Material properties 2.3 散热模型求解 研究采用稳态求解，求解器选择PARDISO求解器，求解容差设置为0.001，求解结果包括速度场和温度场[6]。采用参数化求解来对比不同参数下的结果，对进风口速度进行参数化求解，可在一次计算中得到不同进风口速度下的计算结果，最后稳态求解所有物理场进行全耦合计算得到结果。 3 结果分析 在COMSOL Multiphysics中选择二维绘图组，绘制长方体区域的速度场和温度场。同时，根据达到稳态时的最高温度来判断不同参数下的散热效果，以及哪种材料的散热器散热性能最好。 3.1 散热器结果分析 首先对散热器材料为铜的结果进行分析，在进风口速度分别为10，15，20，25，30，35 cm/s，电子元件发热功率分别为1 W、2 W 时，对计算结果进行分析。在电子元件正常工作状态也就是发热功率为1 W 时，为了保证电子元件的性能不受影响，即该长方体区域温度不能高于80 ℃，进风口速度以及该区域中心界面的温度分布如图3 所示。其中，进风口速度为10 cm/s 时就能达到散热要求，此时该长方体区域中的最高温度为75.02 ℃，最低温度为21.61 ℃。可以看出，靠近进风口处的冷却效果明显较好，且散热效果从进风口方向呈梯度递减。 图3 正常工作状态中心截面温度分布（P0=1 W）Fig.3 Temperature distribution of center section under normal working condition (P0=1 W) 在电子元件满载工作状态，也就是发热功率为2 W 时，为了保证电子元件的性能不受影响，即该长方体区域温度不能高于80 ℃，进风口速度以及该区域中心界面的温度分布如图4 所示。由于发热功率的增加，需要增大进风口速度，此时需要进风口速度为30 cm/s，才能保证整体区域最高温度在80 ℃以下，其中心截面中的最高温度为77.43 ℃，最低温度为23.01 ℃。最高温度均在电子元件上。 图4 满载工作状态中心截面温度分布（P0=2 W）Fig.4 Temperature distribution of center section under full load working condition (P0=2 W) 在满足该区域温度低于80℃，正常工作状态和满载工作状态下的中心截面的速度场如图5和图6 所示。图5 为正常工作状态的速度场分布，进风口设置的速度为10 cm/s。可以看出，最大速度出现在散热器的上方，为21.66 cm/s。 图6 为满载工作状态的速度场分布，进风口设置的速度为30 cm/s。可以看出，最大速度同样出现在散热器的上方为59.93 cm/s。对比分析最大速度和进风口速度，最大速度大约是进风口速度的2 倍，且均在散热器的上方区域，说明散热器的设计是合理的，大的速度能够带走更多的热量，来保证充分的散热效果。 图5 正常工作状态中心截面速度分布（P0=1 W）Fig.5 Velocity distribution of center section under normal working condition (P0=1 W) 图6 满载工作状态中心截面速度分布（P0=2 W）Fig.6 Velocity distribution of center section under full load working condition (P0=2 W) 为了进一步分析进风口速度以及散热器材料对散热的影响，对所有数据结果进行列表分析，在不同参数下的最高温度如表2 所示。可以看出，当散热器材料为铝时，为保证电子元件性能，在正常工作状态下，进风口速度需要达到15 cm/s才能满足要求；在满载工作状态下，需要进风口速度为35 cm/s。为了直观地对结果进行分析，在origin 中绘制长方体区域最高温度折线图，如图7 所示。 表2 长方体区域最高温度Tab.2 Maximum temperature of cuboid area 从图7 长方体区域最高温度折线图可以看出，在一定范围内进风口速度的增加能够有效降低最高温度，但是当速度增加到一定时，温度降低趋势减缓，此时只通过单一地增加进风口速度已不能有效地降低该区域的最高温度。通过比较不同材料的折线可以看出，在其他参数相同的情况下，用铜材料做散热器的最高温度明显低于用铝材料做散热器的，所以用铜做散热器能够进一步增强散热效果。 图7 长方体区域最高温度Fig.7 Maximum temperature of cuboid area 4 结论 本文运用COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件对长方体区域中的电子元件的散热进行数值模拟，分析了不同进风口速度以及不同散热器的材料对散热的影响。通过对比分析，得出不同状态下电子元件能够保证性能的情况下进风口所需要的最小进风口速度。并且，通过对比两种不同材料的散热器的仿真结果，可以发现铜材料的散热器散热效果更好。 [1] 李楠,张东方,陈东哲.电子元件散热的数值模拟[J].能源与节能,2012(5):79-81. [2] 周雄兵.温度试验对电子元器件的性能影响分析[J].信息通信,2016(11):257-257,258. [3] Zimmerman W B J,中仿科技公司.COMSOL Multiphysics 有限元法多物理场建模与分析[M].北京:人民交通出版社,2007. [4] 贾力.高等传热学[M].北京:高等教育出版社,2003. [5] 吴承建,陈国良,强文江.金属材料学[M].北京:冶金工业出版社,2000. [6] 王福军.计算流体动力学分析—CFD 软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004. 0 引言电子元件在日常生活中随处可见。随着电子技术的不断发展，电子元件的集成度越来越高，人们对电子元件的性能要求也越来越高，为了达到这些要求，电子元件所需要的功率就会相应地增大。在电子元件工作时，一定会产生热量，这些热量如果不能及时地散发出去，就会在电子元件附近造成较高的温度区域，当电子元件处在高温下，其性能就会下降，而且如果热量长时间得不到散去，最终将会导致电子元件由于高温影响而烧毁[1]。本文对电子元件机箱长方体区域附近散热进行数值分析，以电子元件为热源，分别对正常状态和满载状态进行仿真分析。根据资料可知，当电子元件处温度不超过80℃时，电子元件性能不受影响；当温度高于80℃时，需要人为地对该区域进行散热降温[2]。一种方式为加大进风口风扇的风速，也就是文中的入口速度，为长方体区域电子元件降温；另一种是通过设置散热器为电子元件散热，其材料一般为铝或铜。本文分别对不同入口速度和散热器不同材料进行对比分析，数值仿真该电子元件长方体区域的散热。1 电子元件的数值计算模型1.1 模型简介计算区域几何模型如图1 所示。整个计算域为长方体区域，整体模型尺寸为80×3×15 (mm)，矩形区域中设置有散热器，下面与显卡电子元件连接，右边为进风口，左边为出风口。图1 电子元件矩形区域几何模型Fig.1 Geometric model of rectangular area of electronic components1.2 模型假设由于计算机计算能力受限，为了减少模型计算量，需要进行适当的假设来减少计算量，本文做出如下假设[3]：（1）入口速度均匀，不受壁面影响；（2）散热器材料具有各项同性；（3）入口处空气温度恒定为20℃，且空气为弱可压缩。1.3 数学模型1.3.1 控制方程长方体区域内空气流动的流动与传热方程包括连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。本文假设传递过程是稳态，空气流动状态为层流，空气、散热器与电子元件之间的热传递为流体和固体传热；同时，在COMSOL Multiphysics 中设置多物理场耦合模块非等温流动来进行耦合计算。此时该模型所满足的控制方程如下[4]：（1）连续性方程又称质量方程，为式中：u，v，w——流体在x，y，z 方向上的速度分量，m/s。（2）动量方程为式中：Ui——i 方向上的速度分量，m/s；xi——坐标；p——流体密度，kg/m3；μ——动力黏度，kg/m·s。（3）能量方程为式中：T——温度，K；α——流体热扩散率，m2/s。1.3.2 边界条件与初始值层流模块中进风口边界条件设为速度条件，速度设置为10，15，20，25，30，35 cm/s 六个梯度，出风口边界条件设为压力条件，出口相对压力为0 MPa，其他壁条件均设为无滑移壁条件；传热模块中长方体区域设置环境温度为20 ℃，进风口温度为环境温度20 ℃，其他壁面设置为热绝缘边界，热源为电子元件，设置其正常状态发热功率为1 W，满载状态下发热功率为2 W。2 散热模型计算2.1 网格划分在COMSOL Multiphysics 中利用其自带的网格模块对整体模型进行网格划分，网格类型选择四面体网格，单元大小选择常规，使用网格贡献选择流体模型。如图2 所示为散热模型网格图。图2 散热模型网格模型图Fig.2 Grid model of heat dissipation model2.2 材料属性长方体散热计算区域材料设置为空气，电子元件材料设置为硅，散热器材料分别设置两种材料对比计算，第1 次仿真计算时设置散热器材料为铜，保存此次计算结果，第2 次仿真计算时设置散热器材料为铝，其他计算域材料不变，同样保存此次结果。材料参数均可在COMSOL Multiphysics 中材料库进行添加，其材料属性如表1 所示[5]。表1 材料属性Tab.1 Material properties2.3 散热模型求解研究采用稳态求解，求解器选择PARDISO求解器，求解容差设置为0.001，求解结果包括速度场和温度场[6]。采用参数化求解来对比不同参数下的结果，对进风口速度进行参数化求解，可在一次计算中得到不同进风口速度下的计算结果，最后稳态求解所有物理场进行全耦合计算得到结果。3 结果分析在COMSOL Multiphysics中选择二维绘图组，绘制长方体区域的速度场和温度场。同时，根据达到稳态时的最高温度来判断不同参数下的散热效果，以及哪种材料的散热器散热性能最好。3.1 散热器结果分析首先对散热器材料为铜的结果进行分析，在进风口速度分别为10，15，20，25，30，35 cm/s，电子元件发热功率分别为1 W、2 W 时，对计算结果进行分析。在电子元件正常工作状态也就是发热功率为1 W 时，为了保证电子元件的性能不受影响，即该长方体区域温度不能高于80 ℃，进风口速度以及该区域中心界面的温度分布如图3 所示。其中，进风口速度为10 cm/s 时就能达到散热要求，此时该长方体区域中的最高温度为75.02 ℃，最低温度为21.61 ℃。可以看出，靠近进风口处的冷却效果明显较好，且散热效果从进风口方向呈梯度递减。图3 正常工作状态中心截面温度分布（P0=1 W）Fig.3 Temperature distribution of center section under normal working condition (P0=1 W)在电子元件满载工作状态，也就是发热功率为2 W 时，为了保证电子元件的性能不受影响，即该长方体区域温度不能高于80 ℃，进风口速度以及该区域中心界面的温度分布如图4 所示。由于发热功率的增加，需要增大进风口速度，此时需要进风口速度为30 cm/s，才能保证整体区域最高温度在80 ℃以下，其中心截面中的最高温度为77.43 ℃，最低温度为23.01 ℃。最高温度均在电子元件上。图4 满载工作状态中心截面温度分布（P0=2 W）Fig.4 Temperature distribution of center section under full load working condition (P0=2 W)在满足该区域温度低于80℃，正常工作状态和满载工作状态下的中心截面的速度场如图5和图6 所示。图5 为正常工作状态的速度场分布，进风口设置的速度为10 cm/s。可以看出，最大速度出现在散热器的上方，为21.66 cm/s。图6 为满载工作状态的速度场分布，进风口设置的速度为30 cm/s。可以看出，最大速度同样出现在散热器的上方为59.93 cm/s。对比分析最大速度和进风口速度，最大速度大约是进风口速度的2 倍，且均在散热器的上方区域，说明散热器的设计是合理的，大的速度能够带走更多的热量，来保证充分的散热效果。图5 正常工作状态中心截面速度分布（P0=1 W）Fig.5 Velocity distribution of center section under normal working condition (P0=1 W)图6 满载工作状态中心截面速度分布（P0=2 W）Fig.6 Velocity distribution of center section under full load working condition (P0=2 W)为了进一步分析进风口速度以及散热器材料对散热的影响，对所有数据结果进行列表分析，在不同参数下的最高温度如表2 所示。可以看出，当散热器材料为铝时，为保证电子元件性能，在正常工作状态下，进风口速度需要达到15 cm/s才能满足要求；在满载工作状态下，需要进风口速度为35 cm/s。为了直观地对结果进行分析，在origin 中绘制长方体区域最高温度折线图，如图7 所示。表2 长方体区域最高温度Tab.2 Maximum temperature of cuboid area从图7 长方体区域最高温度折线图可以看出，在一定范围内进风口速度的增加能够有效降低最高温度，但是当速度增加到一定时，温度降低趋势减缓，此时只通过单一地增加进风口速度已不能有效地降低该区域的最高温度。通过比较不同材料的折线可以看出，在其他参数相同的情况下，用铜材料做散热器的最高温度明显低于用铝材料做散热器的，所以用铜做散热器能够进一步增强散热效果。图7 长方体区域最高温度Fig.7 Maximum temperature of cuboid area4 结论本文运用COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件对长方体区域中的电子元件的散热进行数值模拟，分析了不同进风口速度以及不同散热器的材料对散热的影响。通过对比分析，得出不同状态下电子元件能够保证性能的情况下进风口所需要的最小进风口速度。并且，通过对比两种不同材料的散热器的仿真结果，可以发现铜材料的散热器散热效果更好。参考文献[1] 李楠,张东方,陈东哲.电子元件散热的数值模拟[J].能源与节能,2012(5):79-81.[2] 周雄兵.温度试验对电子元器件的性能影响分析[J].信息通信,2016(11):257-257,258.[3] Zimmerman W B J,中仿科技公司.COMSOL Multiphysics 有限元法多物理场建模与分析[M].北京:人民交通出版社,2007.[4] 贾力.高等传热学[M].北京:高等教育出版社,2003.[5] 吴承建,陈国良,强文江.金属材料学[M].北京:冶金工业出版社,2000.[6] 王福军.计算流体动力学分析—CFD 软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

文章来源：电子元件与材料 网址: http://dzyjycl.400nongye.com/lunwen/itemid-2413.shtml

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