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1、因此，为适应现代电子设备的冷却需要而迅速发展起来的热设计及热分析技术，受到了广泛的重视。电子设备热技术主要包括热设计、热分析和热测试。热分析是指用理论或数值模拟的方法对将要设计的电子设备进行分析，它有两条重要的要求：6(1) 预计各元器件工作的环境温度； (2) 使热设计最优化，以提高可靠性。 热分析的目的是以最大经济效益来获得热设计所需要的准确信息，由于热分析不需消耗硬件，因此热分析较热测试成本低；另外，设计阶段热分析可以通过简单的定性分析进行检查。例如，材料和器件安装位置的改变很容易通过分析来判断是否合理；反之，若通过热测试来判断，则需一些列的硬件，花费很大。因此，一般用热分析的方法进行评
2、价，以便判断候选方案是否可取。而热测试通常只用于最有希望选中的设计方案，以便检验预计的结果。鉴于电子设备热设计技术在保障电子设备可靠运行方面的关键作用，美国 70 年代就颁发了可靠性热设计手册，以指导军用以及民用电子设备的热设计。欧洲和日本也随后对热设计开始重视，并发布了一系列的热设计标准和准则。现在国外在热分析技术方面的发展比较成熟，理论方面有相当丰富的技术积累，应用上也取得了很多成果。国内由于总体电子科技水平发展比国外落后，在时间的需求上也落后于国外，所以在电子设备热设计方面的研究大大滞后于国外，但近年来随着 IT 等微电子技术和航空航天的快速发展，热设计的研究工作开始逐渐增多。经过数年的
3、努力, 国内电子设备热设计技术的应用已取得了很大的成绩, 自然冷却、风冷、液冷、蒸发冷却、双相流冷却、热管、热电致冷等技术均已在相应的设备中得到了应用。我国于 1992 年发布了国家的军用标准 GJB/Z27-92电子设备可靠性热设计手册，相继制订了一系列的电子设备热设计的部标、国标、国军标等标准文件，主要有7-9：（1） 半导体器件散热器技术条件；（2） 型材散热器、叉指型散热器、印制板组装件温度测试方法；（3） 电子设备用热管性能测试方法；（4） 组合散热器、电子设备强迫风冷热特性测试方法；（5） 电子设备热鉴定程序；（6） 机载雷达热设计规范；（7） 电子设备可靠性热设计手册；（8） 军
4、用电子设备热设计通用规范；（9） 电子设备热设计名词术语；（10）机载电子设备与系统热性能鉴定通用要求；（11）电子测量仪器热分布图等。这些热设计标准为电子产品的热设计提供了基本的理论和计算方法, 是进行热可靠性的分析的根本依据,为设备的可靠性提供了保证。1.2 主要研究方法现在国内外研究的电器设备中电子元器件热设计和热分析主要有以下几种方法：（1）电模拟回路法利用电路分析方法，将热流等效为电路的电流，温差等效为电路的电压(电位差)，热阻等效为电路的电阻，热导等效为电路的电导，热容则等效为电路的电容。在热回路中，这类似于电路公式：因此，热容是：这里没有等效的热电感，这是因为热能不能靠热流量积累
5、起来，热没有惰性5。因此，热流的偏微分方程是扩散方程而不是波动方程，它们仅包括对时间的一阶导数。热电等效回路的概念为解决稳态和瞬时热流问题提供了一个计算方法。温度可以认为是引起热流的“电位”。恒温热源等效于理想的电压源。在稳定状态下，电子设备的热耗是恒定的。这些恒定的热流源等效于理想的电流源。这样热设计的问题就转变为求解热路的各个参数，计算机计算起来也更加方便。这种等效的方法对热传导的计算非常适用，在非线性的情况下对流和辐射这类问题也可以适用。（2）数值分析法热设计中涉及到的传热过程相当复杂，各种物性参数相互耦合，增加了热设计及热试验的难度。随着计算机的快速应用发展，数值传热学也相应地飞速进步
6、，依靠计算机辅助的热分析技术得到广泛应用。计算机数值分析方法包括：编制程序、计算或测量参数、对传热过程进行模拟等。程序的适用性应该包括主要热设计情况，如晶体管的散热、密闭或开放式机柜的通风散热以及各类元器件和系统的热分析。计算机数值分析法的数学基础是有限差分和有限元法，它可以对各种复杂的形状和结构进行求解，还能处理变物性和变热源的问题，并进行最优化。目前市场上常见的热分析程序有两大类10：a) 一般的通用数值计算程序。如 PHNIOX、ANSYS、HOT2、NASTRAN、FLUENT 等，它们并不是专用于热设计，但也可以用来做热分析；b) 专业的热分析通用程序。如 SINADA、CINDA、
7、CATS 等，这些软件专门对热分析进行优化，能较精确地进行热分析计算。各种热分析程序的特点如表 1.2 所示：1.3 热设计步骤以及主要散热方式1.3.1 热设计步骤热设计的目的是控制电子设备内的所有电子元器件的温度，使其温度在电子设备所处的工作环境条件下不超过规定的最高安全温度，并使其温度变化达到最小。具体来说，电子设备的热设计通常应该遵循下列几个步骤5：(1) 掌握热设计相关的规范和标准；(2) 确定设备的散热表面、散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围；(3) 确定单个发热元器件的发热功率和元器件可靠运行的最高允许温度；(4) 采用合适的热分析方法进行分析；(5) 初步选择冷却方案，并对
8、多种方案进行比较；(6) 进行热设计，并对产品测试其可靠性。第 2 章 流体和传热的基本方程与有限元格式2.1 基本方程热交换及流动现象在诸多工程领域或自然界中时常出现，并具有多种多样的表现形式。从汽车流线外形的确定到微电子元器件的有效冷却，从航天器重返大气层时外部壳体的保护到紧凑式换热器中翘片形状的选取，从高层建筑中的空调系统到自然界中雨雪风霜的形成等，都与传热及流动过程有着密切的联系，而所有这些不同表现形式的流动和传热现象都必须要遵从以下三个最基本的物理规律：质量、动量和能量守恒定律20。2.1.1 质量守恒方程质量守恒定律表现在流体中质量守恒即连续性方程。在流场内若取三维笛卡儿坐标系，连
9、续性方程的表达式如下21：若为定常流动，则式（2-1）中第一项密度对时间的全导数为零，连续性方程可简化为:2.1.2 动量守恒方程对于粘性流体流动，适用于流场中微元控制体的动量守恒方程一般又称为 Navier 一 Stockes方程22-23，具体形式如下：其中 为总应力张量，表示为：为了能够得到 N 一 S 方程中各项应力的表达式，Stockes 做了如下的假设:(1) 流体为各向同性的，且表面应力与单位时间变形率之间的关系不随坐标系的选取而改变；(2) 表面应力与流体微团单位时间变形速率之间成线性关系；(3) 静止流体不产生粘性应力，表面应力即为流体压强，此时应力张量为：式中：P是热力学参
10、数压强。由粘性流体的性质，流体微团变形速率张量为：基于 Stockes 的上述假设，得到表面应力张量的表达式为:其中：是动力粘度；是待定系数； I是单位张量。按流体力学中压强的定义，可表示为表面应力张量中三个垂直分量的算术平均，即将各项垂直分量表达式带入上式中，得到:为了消除流体力学中压强可能与热力学压强不同而带来的影响，Stockes 假设：第 5 章 开式机柜数值模拟优化研究开式机柜指机柜表面有通风孔的机柜，实际情况中当自然对流散热无法满足机柜内散热要求时，必须在机柜表面开孔进行自然通风或者强制通风散热。开式机柜内发热元件的自然冷却主要通过基座的热传导、机柜表面的自然对流散热和辐射换热以自
11、然通风。本章将通过 FLUENT软件，对某机柜内的电子设备的发热元器件的热行为进行分析并优化设计。5.1 建模5.1.1 开式机柜的几何模型本章研究的几何模型如图 5.1 所示，在一个机柜内有 3 个主要的发热元件：变频器，固态继电器和电源。机柜的尺寸为 500x250x750mm，变频器尺寸为 80x150x150mm，耗散功率为 100W，固态继电器尺寸为 80x50x120mm，耗散功率为 40W，电源尺寸为 100x50x100mm，耗散功率为 40W。表面热流密度最大为 0.39W/m2，内部元件通风环境又比较恶劣，自然通风散热已无法满足要求，必须进行强制通风散热。根据机柜实际情况，
12、3 个大热源排布位置确定，并且顶部不方便开孔。现在底部中心开半径为 80mm 的孔，右侧面靠近顶端处开 80mm 的孔并安装抽风风机，通风面积比为 0.7.抽风式风扇直径为 0.16m，其毂直径为 0.08m，空气流量为 0.065m35.2 数值模拟5.2.1 网格划分用 GAMBIT 绘制开式机柜计算模型的网格全局图如图 5.2 所示，腔体采用结构化网格和非结构网格相结合的方式划分，附面层加密处理，网格质量最大为 0.5。/s。5.2.2 控制方程用 Fluent 数值模拟时采用k 湍流模型，一阶迎风格式，流动遵循连续性方程，动量方程和能量守恒方程。气体设为定常气体。5.2.3 边界条件流
13、动的 Re 为 31360，所以流动为湍流，空气入口采用 massflow 边界条件，等价于体积流量的质量流量为 0.08kg/s，温度为大气环境温度 293.15K，出口为 pressrue-outlet。3 个热源采用壁面热流密度边界条件，为 1000W/m2，机柜表面采用 convection，自然对流热流密度设为10W/(m2*K)，自由流温度为大气环境温度 293.15K。5.2.4 收敛准则本计算采用 8 核 CPU 进行数值计算，流场的收敛准为 10-3，能量方程的收敛准则为 10-6，计算进行 150 步达到收敛。5.2.5 计算结果分析迭代计算完后，将文件导入 tecplot
14、 进行后处理，得到箱体总温图如下：5.3 影响机柜散热的因素及改进措施从 5.2 的分析得知在底面中心开孔，风量为 0.066m3/s 的情况下，电源和固态继电器的散热良好，但是因为变频器的通风情况比较恶劣，散热不够理想，所以首先对变频器散热进行优化。5.3.1 风量对元器件散热的影响及改进措施影响机柜内散热的因素一般有：空气流量，流场分布等。首先我们通过改变风量来进行数值模拟计算，得到各热源表面最高温度变化如表 5.2 所示：从表 5.2 可以看出，增大空气流量，虽然电源和继电器最高温度降低很明显，达到了 20，但是变频器最高温度变化不是很大，仍然达不到有效工作温度以下，这是因为变频器右侧离
15、柜体壁太近，通风环境很恶劣，单纯增大流量并没有有效改变流场分布，对散热改进有限。并且在风量从 0.05m3/s 增加 0.80m3/s 时，变频器最高温度有所上升，这是因为在 0.05m3/s 时变频器右侧面附近空气流速方向向上，而在 0.80m3/s 时，变频器右侧面附近有从机柜上方过来的热空气，使得本应该上升的热空气往下流动，造成变频器右侧下方热空气聚集，流过变频器的空气温度增高，造成散热量降低。5.3.2 底面进风口位置对元器件散热的影响及改进措施从 5.3.1 的讨论我们可以看出，进风口在底面中心的时候，除了变频器右侧面温度过高，其他表面的温度都低于 80，通过改变空气流量也未能有效提高散热效率，并且增加风量意味着耗能的增多，风量过大的话甚至会对机柜内的电线造成影响。本小节将通过改变底面进风口位置来进行数值模拟计算，得到底面进风孔位置与各元器件最高温度的关系如图所示：1.1研究背景近年来,随着电子通讯技术及设备突飞猛进的发展,电子通讯技术在民用!军用的各个领域均得到了广泛的应用电子设备!产品的系统集成度愈来愈高,大功耗器件的应用也愈来愈广泛电子通讯设备系统的大容量和体积的小型化要求其具有良好的环境适应性(如户外设备!产品)为了保证电子元器件以及设备的热可靠
