高海拔地区电子设备散热分析

　　000m以上高海拔地区面积占全国总面积65，水电、风电、石油、煤炭等资源的3/4都在新疆、内蒙等高原地区，电器设备在高原地区的生产和生活中是必不可少的。随着海拔高度的增加，空气的压力、密度、温度逐渐下降，电脑、手机等电子设备散热能力降低，工作温度升高，寿命就会降低，研究高海拔地区电子设备散热问题，对保证广大高原地区人们正常的生产和生活具有重要意义。

　　通常的情况下，测算高海拔电子芯片封装体的温度是使用温升修正系数并采用对流换热方程推导计算，这种办法误差约在10°c以上，精度远不如使用Icepak仿真或是在高海拔下实际测量所得到的结果E-2.笔者主要研究高海拔空气密度小、气压低的情况下，采用风扇强制散热对电子器件温升的影响；提出了在高海拔地区，通过Icepak软件计算出各个电子元器件工作温度，由于空气稀薄，应该采用湍流模型的两方程模型，而不是Icepak推荐的零方程模型。

　　1仿真模型的建立与仿真方案1.1仿真模型的建立该模型由4个零件组成，如所示。系统级模型（电脑机箱、机柜等）是在PCB板上装有一系列工作的电子芯片。通常冷却方案有两种，是风扇对发热电子元件进行强制对流冷却；二是铝制散热器和IC芯片连接，进行传导散热。模型中铝制散热器散热翅片在Z方向和X方向都是12组，PCB板的厚度是10mm，材料为FR-4，导热系数是0.35WmK）。铝制散热器的散热效果主要与其表面积大小有关，不在这里讨论。风扇选定的是转速恒定，风扇的流量是非线性的，流量的大小由自定义的曲线来确定。在铝制散热器下面有一个80W的热源，该机箱为一个封闭的机箱。

　　百叶窗仿真模型示意。2确定边界条件和仿真方案不同海拔高度空气的密度、黏度、扩散系数等空气性能如表1所示。将这些数据作为边界条件，对电器设备进行热分析。从表1可以看到，在海拔6000m的高度时，空气分子的密度仅仅是海平面的48；大气压力是海平面的46，这两项指标对热量传导有很大影响。

　　如的系统模型所示，在各元器件功率不变的情况下，4个海拔高度分别为：标准海拔；3000m；6000m；10000m.为了方便比较，室内工作温度均假定为20°C.采用零方程模型和两方程模型，将分别对系统模型中的PCB板和百叶窗进行热计算，比较其热计算结果哪个更接近实际情况。

　　表1不同海拔高度空气性能Tab.海拔高密度/比热/传导系数/空气黏度/扩散系数/分子量/大气压/标准海拔2散热湍流数学模型VT二系统模型流场的数学模型主要由两部份组成部分是在风扇附近的层流场；另部分是风遇到电子元器件后，风向发生复杂的变化，形成的湍流场，并且在本模型中湍流流动是主要部分。通过计算，该模型的为28 681，远远大于2300，所以选用湍流数学模型计算是合理的。湍流出现在速度变动的地方，这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变化，而且引起了数量的波动。

　　2.1湍流数学模型2.1.1零方程模型=（Vt）ont的离壁面小距离。

　　其中，=0.4是Karman常数；A是模化常数，是无量纲法向距离：而是摩擦速度，其含义为=此处下标w表示壁面。

　　零方程模型不能反映输运效应，计算量小，般适用于边界层型流动，对于来流的湍流流度大，应该考虑历史效应（输运效应）物理量不均匀是发生输运过程的内在原因，当流体内部存在温度梯度，出现密度梯度时，输运过程一定会发生，这就决定了零方程计算精度差的主要原因H计算实践表明，零方程模式对于流体受到的阻力和散热量的求解计算误差较大，当流动湍流较大、压力小、密度低时，计算的误差会逐步增加这是因为零方程模型没有输运项，对湍流应力体现不出来。

　　2.1.2标准两方程模型-模型）远比零方程模型复杂，却是简单的“复杂湍流模型”标准k -模型只需求解湍动能及其扩散率的两个相互独立的传输方程即可，由于其较高的鲁棒性、适应性和较好的经济性，在Icepak的流动设计中也应用为广泛。

　　-模型需要求解湍动能及其耗散率方程湍动能输运方程是通过的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理，在数学上类比相似各项的方程得出来的结论通常都是设定模型的湍流流动是完全充分的，流体分子黏性所起的作用不计在这样的假设前提下，两方程k -模型适用于湍流充分流动时的模拟k方程：脉动膨胀使其对耗散项总的作用；湍流黏性系数2.2.1对流传热的数学模型在ICEPAK中，应用雷诺相似湍流输运的想法对热输运过程进行计算。得到的能量方程是：它是把气体分子认为刚性的，导热率与数密度n无关，仅与T1/2有关，并且只适用于温度梯度较小的理想气体。

　　实际上，只有低真空时的输运特性才与式（9）符合，通常把不满足输运规律的理想气体称为克努曾气体，即稀薄气体。稀薄气体中的热传导系数3计算结果与分析bookmark2宏观上，各种输运现象的产生都是由于气体内部存在某种物理量的不均匀性，各种物理量的梯度表示了这种不均匀的程度。各种相应的物理量的输运方向都是倾向于消除物理量的不均匀性，直到这种不均匀性消除，即梯度为零，输运过程才停止，系统才由非平衡态到达平衡态。

　　能量耗散输运方程：这里，右端项分别表示生成项（productionterm）、两方程模型和零方程模型比较，其大特点就是有输运项，能够反映流体的压力、密度对传热的影响。这对高海拔地区电器的热设计极为重要。

　　2.2.2稀薄气体中的热传导的微观解释公式（9）是理想气体的热传导系数表达式，分别采用零方程模型、两方程模型，对海拔高下计算温升。表2是系统模型中2个主要零件（PCB板和百叶窗）的仿真结果。为了方便比较，特别选定了PCB板X大端面的高温度和百叶窗高温度作为研究对象。从系统模型图上可以看到，PCB板X大端面和百叶窗是共面的，并有重叠部分。另外，空气的导热系数是0.热系数是0.35Wm-1K-1，因此，PCB板的导热系数比空气大个数量级，那么，这个共面重叠处应该是2个零件温度高的地方，如示，并且它们的温度应该相等。用两方程模型计算，不论在哪一个海拔高度，都恰好满足了这样个结果。从表2可以看出，使用零方程模型进行传热计算，两个零件共面重叠处的高温度随海拔高度增加，它们的温度差值越来越大，而实际情况下共面重叠处温度应该是相等的。这就说明零方程模型缺少式（7）和式（9）的输运项，在高海拔地区气压低、空气稀薄，空气压力项P和空气密度项都不能起作用，空气压力和空气密度对传热影响很大，所以出现了计算温度不准确这种情况。同时也说明了高海拔地区进行热设计不能使用零方程模型。

　　17注：凡，八分别为零方程模型、两方程模型的高温度。

　　海拔3000m零方程温度云图0.0261WmK―1，它们的导热能力有10倍之差，百叶窗高温度一定会出现在两个零件共面重叠处，也就是PCB板X项大值处。

　　该仿真模型属于低压电器类，以模型组件PCB板为例，温升递增率为海拔每升高100 m，温升是0.17，该数据在0.1以仿真计算结果与国际电工委员标准相符合。这就验证了笔者得出的数据是符合实际的。

　　000m下零方程和两方程模型流场分布图。由于所建的系统模型是个封闭的机箱，并且采用风扇强迫对流，机箱内的流体（空气）分布应该是均布的65.不会出现那种情况：机箱局部出现流体过密，另一部分出现流体过疏。

　　综上所述，温度和流场分布的仿真结果也证明了采用零方程用来计算传热的误差大，和真实的情况不符。

　　3 000m零方程流场分布图海拔3000m两方程温度云000m两方程流场分布结论模型和两方程模型64-5，对百叶窗和PCB板X大面进行了仿真，得到了温度云图如和所示。从图中可以看出，虽然都是在海拔3 000m下的温度计算结果，中百叶窗高温度出现在上部分，显然这是错误的。因为PCB板的导热系数是0.35WmK-1，而空气的导热系数是（1）通过对零方程数学模型和两方程数学模型的比较，得出零方程模型不能反映输运效应。对于高海拔地区空气压力小、密度低对输运效果影响显著，应该考虑历史效应（输运效应）。

　　拔地区的芯片、电机等电器进行了仿真分析，分析结果表明：高海拔地区的电子设备热设计，采用两方程模型更加符合实际工况。因为两方程模型和零方程模型比较，其大特点就是两方程模型有输运项，输运项能够反映流体的压力、密度对传热的影响，这也是两种数学模型计算结果出现差异的理论依据。高海拔地区空气流体的密度、压力变化都很大，所以，使用两方程模型计算高海拔地区电器的温升更准确。ICEPAK软件所推荐的‘’大多数电子散热问题使用零方程模型是足够的，这个推荐意见只对海拔不高的地区有意义，而对高海拔地区来说，不论从数学模型上还是仿真结果上看，使用零方程模型显然是不适合的。