基于ANSYS lcepak的空心散热器仿真优化

作者：赵笛 王宁平 齐少鹏 张修路 牛振威 刘成安 来源：《工业技术创新》2018年第03期

摘要：利用有限元方法对空心散热器的性能优化进行探讨。基于ANSYS Icepak仿真软件，在机箱简化模型内模拟空心散热器实现对一恒定热源的散热过程，获得散热器空心程度对系统内温度场的影响规律，进而分析风速对热阻、风阻的影响。结果表明：当散热器壁厚为1.25mm时，散热效果最优，散热器最高温度约降低20.4%，质量减小约14.3%;散热器上的热阻随着风速的增大而减小，且逐渐趋于平缓，而风阻随着风速的增大而增大，且趋势愈发明显。在空心散热器设计中，应权衡选取风速，以期达到最佳的散热性能。 关键词：空心散热器;ANSYS Icepak;风速;热阻;风阻 中图分类号：TN602

文献标识码：A

文章编号：2095-8412（2018）03-089-05 引言

近年来，电子信息、航空航天、能源化工等领域电子设备的集成化程度越来越高，导致单一设备的发热量急剧增加。高负荷、大功率设备的散热问题成为阻碍相关领域技术发展的壁垒。在此背景下，肋片散热器因结构多样、易于加工、成本低廉等优势被广泛应用。肋片结构的优化工作包括肋片结构参数的优化、表面凸起结构的引入、肋片排布的设计以及在散热器上增加几何形状不同的孔洞等。对于这些优化方式，前人已经做了不少研究。崔万新等[1]运用正交试验法对散热器肋片的高度、长度和厚度进行了优化。李军等[2]认为波纹翅片具有良好的散热性能，并分析了波纹角对散热效果的影响规律。王成明等[3]认为在板式翅片散热器的基础上增加一定数量和大小的半圆柱可以提高换热效率。陈森等[4]认为矩形断错翅片增加了流体途经的路程，从而改善了换热性能。黄秋月[5]、敬文娟[6]、李娟等[7]分别证实了在翅片上增加一定数量和大小的方孔、圆孔、三角形孔有利于空气的流动和翅片的散热。 空心散热器是对电子器件进行散热的另一个重要选择。本文基于前人的研究方法，利用ANSYS Icepak热仿真软件，分析随着空心体积的变化，机箱内温度的变化趋势，与普通的平直型散热器性能进行对比，并进而分析风速对热阻、风阻的影响。 1 空心散热器的优势

与肋片散热等方式相比，空心散热器加工相对简便、耗材较少.而且有较大的散热面积和气流速率，有畅通的散热通道，可以更为便捷地满足具体应用中对散热器的要求，所以对空心散热器进行研究，并进一步提高其散热效率，是非常有意义的，但目前国内相关研究较少。 陈德荣[8]提出为使翅片面积相对增大，可将翅片做成空心，但空心体积对散热效果的影响规律是一个值得探索的问题。由于空心散热器内换热面积和气流速率较大，可以在很大程度上减缓热量蓄积，所以散热器空心部分的存在固然会提高其散热效率。但若空心部分的体积过大，即空心部分两侧壁厚度较小，则吸热材料和散热材料之间的接触面积较小，传热效果会减弱。所以在改变空心体积大小的过程中必定存在一个最优值，使得散热效果最好[9]。 针对空心散热器的散热效率的计算模型、数学模型开展研究，计算出风速对热阻、风阻的关键值。 2 计算模型

2.1 几何模型和物理模型

计算模型为一立方体机箱，如图1所示。机箱中央放置空心散热器，其三维模型和剖面图如图2所示。机箱两侧分别为Intake风机和矩形开口，开口与周围环境相连。一个与基底大小相同的恒定热源紧贴在基底上。表1所示为计算过程中需使用到的的参量，其中风机的Q-P曲线见图3。 2.2 数学模型

计算过程中假设空气为不可压缩稳态流动，且其物理性质在仿真过程中不发生变化。忽略辐射换热，不计基底与翅片间的接触热阻。三维控制方程选用质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，湍流模型采用标准的k-ε湍流模型。数学表达式如下：式（1）～式（7）中，ρ—密度，kg/m³;μi，μj速度，m/s;μ1，μt层流、湍流粘性系数，Ns/㎡;k—湍流动能系数，㎡/s2;ε—湍流动能耗散率，㎡/s2;σk2，σε—湍流常数;T—温度，K;P—压力，Pa;Rth—热阻，℃/W;Rw—风阻，N/m;Tave，To—散热器上的平均温度和环境温度，℃。Pin，Pout—散热器上的入口压强和出口压强，Pa。

k-ε模型经验常数的赋值：C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σ=1.3[3]。 3 分析与讨论

采用ANSYS Icepak下的Design Exploration（参数化/优化计算模块）。翅片总厚为定值，空心壁厚d的范围为0.5～1.935mm。通过改变空心壁厚来改变空心体积大小。当d=1.935mm时，空心体积为零，此时模型退化为普通的平直型散热器。

进行7次参数化计算，结果见表2和图4。其中表2為不同壁厚下散热器的最高温度、热阻和质量，图4为散热器的d-Tmax曲线图。当壁厚在一定范围内增大时，系统内最高温度有所降低，这主要是由于吸热和散热部分接触面积增大，换热效率提高;当壁厚继续增大，即空心体积减小时，系统温度以较大幅度一直升高，这是由于空心部分两侧壁换热边界交叉形成扰流，从而大大削弱了换热效果。在壁厚d=1.25mm时，Tmax=41.60℃，散热器质量

m=0.08695kg，此时温度最低，散热效果最好。与一般的平直型散热器相比，优化后的散热器最高温度降低约20.4%，质量减小近14.3%。

图5所示为散热器结构最优（d=1.25mm）时，机箱内截面温度场分布云图。图6所示为散热器结构最优时和散热器为实心（ d=1.935mm）时的散热器的温度场分布云图。可以看出，系统内热量集中的区域是与热源直接接触的基板，且基板上远离风机的部分温度最高：沿气体流动方向，两个散热器翅片上的温度分布均呈比较相似的流体状，但在热量集中的区域，优化后的空心散热器温度明显低于普通散热器，说明本次优化可以较好地将基板上的热量快速传递到环境中，改善电子设备的过热损害。在计算出最优结构的基础上，继续研究风速对散热器热阻和风阻的影响。图7所示为不同风速下的热阻和风阻曲线图。可以看出，随着风速的增加，散热器上热阻减小，但当风速高于5m/s时，热阻随风速的增加变化不大，此时即使再提高风

速，散热效果也不再明显。但随着风速的增加，风阻逐渐增大，表明为保持风速，需要更高的能耗。 4 结论

（1）当空心壁厚为1.25mm时，散热效率最高。与一般的平直型散热器相比，优化后的散热器最高温度约降低20.4%，质量减小约14.3%，达到了对散热器进行优化的目的。 （2）热阻随着风速的增大而减小，但当风速高于5m/s时，热阻变化趋于平缓;风阻随着风速的增大而增大，且风速越大，变化趋势越明显。因此在系统设计中，风速需权衡选取。 基金项目

国家自然科学基金（项目编号：415 74076，41704088）、技术基础项目（项目编号：JSHS20144048002）、四川省教育厅科技项目（项目编号：15TD0013）、西南科技大学龙山人才计划项目（项目编号：17LZX607）资助 参考文献

[1]崔万新，韩宁，段宝岩，等.散热器优化设计[J]电子机械工程，2006，22（4）： 7-9 [2]李军，曾志平，张世义，等.波形对波纹翅片散热器散热能力及阻力性能的影响[J]机械设计与制造，2015（10）： 76-79+83

[3]王成明，崔国民周国燕，等.半圆柱板翅片散热器传热特性的数值模拟[J]半导体光电，2013，34（4）： 616-620+641

[4]A.R.Wieting，陈森.矩形断错翅片板翅式换热器的传热和流体阻力的经验关联式[J]石油化工设备，1978（4）： 80-83.

[5]黄秋月，孙志坚，纪翠娟，等.栅格式方孔翅片自然对流换热的数值模拟[J]电子器件，2012，35（3）： 271-275

[6]敬文娟，简士钊，尹树桂，等.穿圆形孔翅片对自然对流传热的强化研究[J]制冷学报，2012，33（3）： 45-48

[7]李娟，凌祥，彭浩.新型三角孔翅片对流传热及压降特性研究[C]∥全国换热器学术会议.2011

[8]陈德荣.一种翅片热管散热器[P]中国专利：CN2720631，2005-08-24

[9]王永豪.典型散热器热分析及优化设计平台开发[D]西安：西安电子科技大学，2012