基于CFD模拟的电子元器件散热研究
连洪波（福建华合现代建筑设计有限公司福州分公司 ，福建福州、35000）
摘要：本文研究在不同散热条件下翅片强制对流散热对电子元器件散热的影响。利用fluent软件
分别对电子元器件在不同环境温度、不同散热风速、不同散热方式的条件下进行模拟，并获取电子元器件温度和翅片平衡温度。研究表明，对电子元器件进行散热时，对吹要比顺吹效果更好；随着环境温度的上升，风速的影响越来越小；但改变风速，要比改变环境温度的效果更明显。
关键词：散热 电子元件 fluent
中图分类号： 文献标识码：A
Research on Heat Dissipation of Electronic Components Based on CFD Simulation
LIAN Hong-bo （Fujian Huahe Modern Architectural Design Co., Ltd. Fuzhou Branch、Fuzhou City, Fujian Province、35000）
This article studies the effect of fin forced convection heat dissipation on the heat dissipation of electronic components under different heat dissipation conditions. Simulate electronic components under different environmental temperatures, heat dissipation wind speeds, and heat dissipation methods using fluent software, and obtain electronic component temperature and fin equilibrium temperature. Research has shown that when heat dissipation is applied to electronic components, the effect of direct blowing is better than that of direct blowing; As the ambient temperature increases, the impact of wind speed decreases; But changing the wind speed has a more significant effect than changing the ambient temperature.
Keyword: Heat radiation；Electronic component；fluent
1.引言
随着电子器件及集成电路技术的迅速发展，在电子元件运行过程中可能产生大量的热，并聚集于电气设备中使其温度升高，高温制约着电子元器件运行及相关电子设备的性能。合理的散热已成为电子设备研制和开发，运行环节关键的技术之一，并且在一定程度上延长其使用寿命[1]。目前对电子元器件散热的方式有很多，主要有翅片强制对流散热、热电冷却散热、热管散热、冷板散热以及浸入液体散热[2]。翅片强制对流散热结构较为简单，被广泛运用于电子器件散热，但在不同的散热方式、散热风速、工作环境温度等条件下散热效果不同[3] [3]。Fluent具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能[4-6]，利用该软件工具对电子器件在散热条件进行模拟，获取电子元器件温度和翅片平衡温度。
2.电子器件模型建立及模拟
本文选用20mm×20mm×1mm的电子器件，散热器端翅片高度为为23mm，翅片厚度为1mm。建模完成后再对翅片进的空隙使用体积抽取，建模结果如图1所示。在Mesh中进行网格划分，网格划分密度选0.0005mm，网格划分结束后在mesh中对各个面和体进行命名流体的出口、入口、和边界，图2所示。
图1电子元器件建模结果 图2网格划分设置边界结果
在程序setup中进行边界条件的设定，输入电子器件材料和翅片材料，再进行空气流速和环境温度的选择，选择sio2，在fluent数据库中查找sio2固体的文档，将其添加在固体材料中。在边界条件中选择翅片气流进口和出口风速，设置环境温度，选择迭代500次进行模拟计算。模拟条件在环境温度为25℃，气流从左往右吹，风速为2m/s时，通过模拟得到电子元件温度为69℃、翅片的平衡温度为60℃，如图3所示；模拟条件在环境温度为25℃，气流从左往右吹，风速为3m/s时，通过模拟得到电子元件温度为62℃、翅片的平衡温度为54℃，如图4所示。
图3风速2m/s模拟结果 图4风速3m/s模拟结果
3. 模拟条件设置及结果
对不同的风速，环境温度和气流的方式进行多组模拟，模拟对比电子元器件所加载的功率都为50w，环境温度分别为15℃、20℃、25℃、30℃、35℃；强制对流散热的风速分别为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s；采用气流方式从左往右顺着吹、同时从左右两侧相对着吹两种散热方式。通过模拟得出不同散热条件下电子元件温度和翅片的平衡温度如表1所示。
表1 不同散热条件下模拟结果
器件功率（w） | 吹风方式 | 风速（m/s） | 环境温度（℃） | 元器件平衡温度（℃） | 翅片平衡温度（℃） | 温差（℃） |
50 | 顺吹 | 3 | 15 | 62 | 52 | 10 |
50 | 顺吹 | 3 | 20 | 69 | 58 | 11 |
50 | 顺吹 | 3 | 25 | 73 | 61 | 12 |
50 | 顺吹 | 3 | 30 | 76 | 68 | 8 |
50 | 顺吹 | 3 | 35 | 81 | 73 | 8 |
50 | 顺吹 | 1 | 25 | 133 | 111 | 22 |
50 | 顺吹 | 2 | 25 | 86 | 73 | 13 |
50 | 顺吹 | 3 | 25 | 73 | 61 | 12 |
50 | 顺吹 | 4 | 25 | 65 | 57 | 8 |
50 | 顺吹 | 5 | 25 | 61 | 50 | 11 |
50 | 对吹 | 1 | 25 | 91 | 78 | 13 |
50 | 对吹 | 2 | 25 | 69 | 60 | 9 |
50 | 对吹 | 3 | 25 | 62 | 54 | 8 |
50 | 对吹 | 4 | 25 | 58 | 52 | 6 |
50 | 对吹 | 5 | 25 | 56 | 48 | 8 |
50 | 对吹 | 3 | 15 | 52 | 44 | 8 |
50 | 对吹 | 3 | 20 | 57 | 49 | 8 |
50 | 对吹 | 3 | 25 | 62 | 54 | 8 |
50 | 对吹 | 3 | 30 | 67 | 59 | 8 |
50 | 对吹 | 3 | 35 | 72 | 64 | 8 |
模拟中，选择环境温度都为25℃，不同吹风模式及流速下电子元器件的平衡温度如图5所示；选择风速都为为3m/s，不同吹风模式及环境下电子元器件的平衡温度如图6所示。
图5不同风速对电子元件散热的影响
图6不同环境对电子元件散热的影响
从图5可以看出在对电子元件模拟中，散热与风速有关，不管是顺吹还是对吹两种散热方式下，风速越大散热效果越好，同时随着风速的提高电子元件的温度下降速率变缓。从图6可以看出，不管是顺吹还是对吹两种散热方式下，电子元件的温度随着环境的温度的升高而升高。
从模拟结果图5和图6可以得出在而且在相同温度和相同流速下，对吹的电子元件温度都比顺吹的电子元件温度要低。风速对电子元件随温度下降速率比环境温度对对电子元件随温度下降速率影响大。
4. 结论
（1）提高风速、降低环境温度都能改善电子元件的散热，降低电子元件在运行中的温度。
（2）在相同的吹风模式下，环境温度对电子元件温度的影响要比空气流速对电子元件温度的影响要小。
（3）在结果对比中发现，环境温度越高，电子元件和翅片间的温差也就越高，无论风速再怎么升高，电子元件降温效率也就越来越差，虽然翅片温度和电子元件温度都在下降但下降的数值越来越小，而风扇的功率越来越大，反而会消耗更多的能源，因此电子元件工作要选在合适的温度和选用合适的风扇。
参考文献
[1] 李庆友 ， 王文 ， 周根明 ．电子元器件散热方法研究[J]．电子器件，2005，（4）：937-941．
[2] 马永锡， 张红．电子器件发热与冷却技术[J]．化工进展，2006，（6）：670-674．
[3]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．
[4]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．
[5]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．
[6] 杨杰，王艳．基于COMSOL的电子元件散热数值模拟[J]．农业装备与车辆工程，2020，（12）：141-142．
作者简介：连洪波、1990、男、汉、福建泉州、福建华合现代建筑设计有限公司福州分公司、中级工程师、学士学位、研究方向；制冷与散热方向
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