折流板强化电子元件冷却的数值研究

　　问题描述及几何模型2.1几何模型如所示，小空间内分布着5个矩形的电子元件，小空间的高度为H=25mm，电子元件尚度电子兀件与进、出口的距离均为7.5mml=15mm，宽度d=5mm，电子兀件之间间距D=l5mm，电子元件与进、出口的距离均为7.5mm，每个电子元件的尺寸为5mmX 15mm，材质为陶瓷（其热物性参数为：密度为500知/m3，比热为0.84fc//知导热系数为0.21W/m尺）。每个电子元件的发热功率为30W（相当于热生成率为4xl05W/m3），折流板的高度为h.本文分0.2，0.4，0.5，0.7，0.9时小空间内电子元件的散热进行了讨论。

　　2.2控制方程小空间内流体流动与传热的控制方程为：连续性方程：动量方程：>>方向的速度分量、压力和温度；汉心/分别为热膨胀系数、重力加速度、粘性系数、热扩散系数、密度和内热源项。

　　求解方法本文研究的是流体固体共轭传热问题，同时求解连续性方程、动量方程和能量方程。

　　计算中做了如下假设：空气的物性参数为常数：流体在壁面上无滑移：流体的流动为定常流动；电子元件的热生成率为等热生成率；在重力方向上考虑浮升力的影响，满足Boussinesq假设。

　　方程的求解是基于CFD中的有限容积法进行离散，选取标准的A-f湍流模型，控制方程的求解采用SIMPLEC算法。进口边界条件给定空气的进口平均速度，进口温度，等值。

　　出口边界条件设为相对压力为0，电子元件给定热生成率，其他壁面均为绝热壁面，壁面采用无滑移边界条件。受迫流动冷却系统0lmX.25m的矩形空间内，有10000个网格单元，10251个节点。

　　结果分析4.1电子元件冷却效果分析由可以看出，h/H=0C不加设折流板）时5个电子元件表面的平均Nu分别低于h/H=0.2时电子元件表面的平均Nu.此外，在靠近入口处的1号电子元件表面的平均Nu*大，冷却效果*好，靠近出口处5号电子元件的冷却效果次之，4号电子元件的冷却效果*差。这就说明设置折流板可以有效的降低电子元件的温度水平。

　　（c）h/H=0.4时的温度场和速度矢量场图小空间温度场和速度矢量场图场协同原理表述为：对流换热的性能不仅取决于流体的速度和物性以及流体与固壁的温差，而且还取决于流体速度场与流体热流场间协同的程度。在相同的速度和温度边界条件下，它们的协同程度愈好，则换热强度就愈高。速度场与温度梯度场的协同体现在：速度矢量与温度梯度矢量的夹角余弦值尽可能大，即两矢量的夹角"尽可能小0流体速度剖面和温度剖面尽可能均匀（在*大流速和温差一定的条件下）。

　　如（a）所示，h/H=0（不加设折流板）时，小空间内主流区空气横向温度比较均匀，横向温度梯度较小，但是纵向温度极不均匀，纵向温度梯度很大，速度矢量和热流矢量的夹角近似为90，空气的此时速度场与温度梯度场协同程度*差，电子元件的冷却效果也*差。

　　如（b）-（f）所示，设置折流板后，小空间内主流区空气的横向温度梯度增大，而纵向温度梯度减小；速度矢量和热流矢量的夹角较不设置折流板时明显减小，速度场与温度梯度场的协同程度得到改善。此外随着折流板高度的逐渐增加，横向温度梯度逐渐增大，而纵向温度梯度逐渐减小，速度矢量和热流矢量的夹角也逐渐减小，速度场与温度梯度场的协同程度增大，电子元件的冷却效果得到很大改善。

　　由可以看出，随着折流板高度的增加，电子元件的*高温度逐渐降低。由可以看出，随着折流板高度的增加，电子元件与空气之间的平均Nu数逐渐增大。这就进一步说明了加设折流板之后，速度场与温度梯度场的协同程度增大，传热得到强化。

　　进出口静压差随折流板高度变化图Sr随折流板高度变化。2进出口静压分析如所示，随着折流板高度的增加，进出口静压差先增大，后减小，然后又增大。不设折流板时，进出口静压差*小为36.65Pa；随着折流板高度的增加，进出口静压差逐渐增大，折流板高度为h/H=0.4时达到极大值，此时进出口静压差为159.37Pa；此后随着折流板高度的增加，进出口静压差逐渐减小，折流板高度为h/H=0. 5时达到极小值，此时进出口静压差为146.77Pa；此后随折流板高度的增加，进出口静压差急剧增大。

　　4.3电子元件的冷却效果数分析为了反映电子元件的冷却效果，在强化电子元件冷却的同时，阻力或功耗要尽可能小，这更有利于节能和工程应用，因为此为了描述和比较不同对流换热的情况下电子元件的冷却效果，我们引用了一个评判标准，即电子元件的冷却效果数：Nu一其中为所有电子元件表面换热的平均努谢尔特数，rmax为电子元件的*高温度，AP为流体的进出口静压差。

　　如所示，随着折流板高度的增加，电子元件的冷却效果数Sr先增大，h/H=0.7时达到极大值，此后随着折流板高度的增加，电子元件的冷却效果数Sr减小。当h/H=0. 7时，电子元件的冷却效果数Sr*大。故折流板的*佳尺寸为h/H=0.结论本文利用CFD软件对以微电子元件散热为背景的小空间流动和换热问题进行讨论，模拟了在等间距条件下电子元件内部的流场和温度场，分别讨论了不加折流板和加设折流板时小空间内电子元件的散热情况。结论如下：小空间内加设折流板后，能明显地强化换热，因此是一种值得关注的强化换热途径；速度场与温度梯度场的协同程度对换热起着十分重要的作用，加设折流板后，速度场与温度梯度场的协同程度得到改善，有利于电子元件的冷却。

　　设置折流板后，在强化换热的同时，也增大了进出口的静压降；C4）综合考虑电子元件的温度水平和进出口的静压降，当折流板高度为当h/H=0. 7时，电子元件的冷却效果数Sr*大，故折流板的*佳尺寸为h/H=0.