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　　[摘要]运用COMSOL Multiphysics 中CFD模块中的非等温模块对长方体机箱中电子元件散热进行数值分析，通过耦合层流和传热模块进行仿真分析，电子元件作为恒定热源，空气作为冷却介质，仿真模拟长方体机箱中的温度场和速度场，仿真分析不同的入口速度对机箱中散热的影响，以及不同材料的散热器对其散热的影响。使用稳态求解器得到了长方体机箱中等温线分布以及速度场分布。通过对电子元件的散热进行仿真，为散热器设计提供一定的参考依据。

　　引言电子元件在日常生活中随处可见。随着电子技术的不断发展，电子元件的集成度越来越高，人们对电子元件的性能要求也越来越高，为了达到这些要求，电子元件所需要的功率就会相应地增大。在电子元件工作时，一定会产生热量，这些热量如果不能及时地散发出去，就会在电子元件附近造成较高的温度区域，当电子元件处在高温下，其性能就会下降，而且如果热量长时间得不到散去，*终将会导致电子元件由于高温影响而烧毁 。本文对电子元件机箱长方体区域附近散热进行数值分析，以电子元件为热源，分别对正常状态和满载状态进行仿真分析。根据资料可知，当电子元件处温度不超过 80℃时，电子元件性能不受影响；当温度高于 80℃时，需要人为地对该区域进行散热降温。一种方式为加大进风口风扇的风速，也就是文中的入口速度，为长方体区域电子元件降温；另一种是通过设置散热器为电子元件散热，其材料一般为铝或铜。本文分别对不同入口速度和散热器不同材料进行对比分析，数值仿真该电子元件长方体区域的散热。

　　1 电子元件的数值计算模型

　　1.1 模型简介计算区域几何模型如图 1 所示。整个计算域为长方体区域，整体模型尺寸为 80×3×15 (mm)，矩形区域中设置有散热器，下面与显卡电子元件连接，右边为进风口，左边为出风口。

　　1.2 模型假设

　　由于计算机计算能力受限，为了减少模型计算量，需要进行适当的假设来减少计算量，本文做出如下假设 ：（1）入口速度均匀，不受壁面影响；（2）散热器材料具有各项同性；（3）入口处空气温度恒定为 20℃，且空气为弱可压缩。

　　1.3 数学模型

　　1.3.1 控制方程长方体区域内空气流动的流动与传热方程包括连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。本文假设传递过程是稳态，空气流动状态为层流，空气、散热器与电子元件之间的热传递为流体和固体传热；同时，在 COMSOL Multiphysics 中设置多物理场耦合模块非等温流动来进行耦合计算。此时该模型所满足的控制方程如下 ：

　　1.3.2 边界条件与初始值层流模块中进风口边界条件设为速度条件，速度设置为 10，15，20，25，30，35 cm/s 六个梯度，出风口边界条件设为压力条件，出口相对压力为 0 MPa，其他壁条件均设为无滑移壁条件；传热模块中长方体区域设置环境温度为 20 ℃，进风口温度为环境温度 20 ℃，其他壁面设置为热绝缘边界，热源为电子元件，设置其正常状态发热功率为 1 W，满载状态下发热功率为 2 W。

　　2 散热模型计算

　　2.1 网格划分在 COMSOL Multiphysics 中利用其自带的网格模块对整体模型进行网格划分，网格类型选择四面体网格，单元大小选择常规，使用网格贡献选择流体模型。如图 2 所示为散热模型网格图。

　　2.2 材料属性

　　长方体散热计算区域材料设置为空气，电子元件材料设置为硅，散热器材料分别设置两种材料对比计算，第 1 次仿真计算时设置散热器材料为铜，保存此次计算结果，第 2 次仿真计算时设置散热器材料为铝，其他计算域材料不变，同样保存此次结果。材料参数均可在 COMSOL Multiphysics 中材料库进行添加，其材料属性如表 1 所示。

　　2.3 散热模型求解

　　研究采用稳态求解，求解器选择 PARDISO求解器，求解容差设置为 0.001，求解结果包括速度场和温度场 。采用参数化求解来对比不同参数下的结果，对进风口速度进行参数化求解，可在一次计算中得到不同进风口速度下的计算结果，*后稳态求解所有物理场进行全耦合计算得到结果。

　　3 结果分析

　　在COMSOL Multiphysics中选择二维绘图组，绘制长方体区域的速度场和温度场。同时，根据达到稳态时的*高温度来判断不同参数下的散热效果，以及哪种材料的散热器散热性能*好。

　　3.1 散热器结果分析

　　首先对散热器材料为铜的结果进行分析，在进风口速度分别为 10，15，20，25，30，35 cm/s，电子元件发热功率分别为 1 W、2 W 时，对计算结果进行分析。在电子元件正常工作状态也就是发热功率为 1 W 时，为了保证电子元件的性能不受影响，即该长方体区域温度不能高于 80 ℃，进风口速度以及该区域中心界面的温度分布如图3 所示。其中，进风口速度为 10 cm/s 时就能达到散热要求，此时该长方体区域中的*高温度为75.02 ℃，*低温度为 21.61 ℃。可以看出，靠近进风口处的冷却效果明显较好，且散热效果从进风口方向呈梯度递减。

　　在电子元件满载工作状态，也就是发热功率为 2 W 时，为了保证电子元件的性能不受影响，即该长方体区域温度不能高于 80 ℃，进风口速度以及该区域中心界面的温度分布如图 4 所示。由于发热功率的增加，需要增大进风口速度，此时需要进风口速度为 30 cm/s，才能保证整体区域*高温度在 80 ℃以下，其中心截面中的*高温度为 77.43 ℃，*低温度为 23.01 ℃。*高温度均在电子元件上。

　　在满足该区域温度低于 80℃，正常工作状态和满载工作状态下的中心截面的速度场如图 5和图 6 所示。图 5 为正常工作状态的速度场分布，进风口设置的速度为 10 cm/s。可以看出，*大速度出现在散热器的上方，为 21.66 cm/s。

　　图 6 为满载工作状态的速度场分布，进风口设置的速度为 30 cm/s。可以看出，*大速度同样出现在散热器的上方为 59.93 cm/s。对比分析*大速度和进风口速度，*大速度大约是进风口速度的 2 倍，且均在散热器的上方区域，说明散热器的设计是合理的，大的速度能够带走更多的热量，来保证充分的散热效果。

　　为了进一步分析进风口速度以及散热器材料对散热的影响，对所有数据结果进行列表分析，在不同参数下的*高温度如表 2 所示。可以看出，当散热器材料为铝时，为保证电子元件性能，在正常工作状态下，进风口速度需要达到 15 cm/s才能满足要求；在满载工作状态下，需要进风口速度为 35 cm/s。为了直观地对结果进行分析，在 origin 中绘制长方体区域*高温度折线图，如图 7 所示。

　　从图 7 长方体区域*高温度折线图可以看出，在一定范围内进风口速度的增加能够有效降低*高温度，但是当速度增加到一定时，温度降低趋势减缓，此时只通过单一地增加进风口速度已不能有效地降低该区域的*高温度。通过比较不同材料的折线可以看出，在其他参数相同的情况下，用铜材料做散热器的*高温度明显低于用铝材料做散热器的，所以用铜做散热器能够进一步增强散热效果。

　　4 结论

　　本文运用 COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件对长方体区域中的电子元件的散热进行数值模拟，分析了不同进风口速度以及不同散热器的材料对散热的影响。通过对比分析，得出不同状态下电子元件能够保证性能的情况下进风口所需要的*小进风口速度。并且，通过对比两种不同材料的散热器的仿真结果，可以发现铜材料的散热器散热效果更好。