在設(shè)計散熱器時，準(zhǔn)確測量其散熱性能非常重要。通過模擬系統(tǒng)中的熱量傳遞過程，工程師可以準(zhǔn)確計算出電子元件的溫度。不同的模擬方法將直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率。在這篇文章中，我們將對模擬和分析電子芯片散熱的 2 種方法進行比較，并在此過程中介紹 COMSOL Multiphysics? 軟件的一些功能。這些功能使我們可以更加方便地建立散熱器的幾何模型。
　　電子設(shè)備散熱器的優(yōu)化設(shè)計
　　散熱器是 COMSOL 文章中經(jīng)常討論的一個的主題，它可以驅(qū)散電子設(shè)備中的熱量。隨著科技的進步，散熱器的重要性也日益凸顯。電子設(shè)備的功能越來越強大，隨之產(chǎn)生的熱量也更多，過高的熱量不僅會降低設(shè)備的性能，還可能嚴(yán)重影響其使用壽命。
　　圖片主板上的散熱器。圖像由 Adikos 拍攝，已獲 CC BY2.0 許可，通過 Flickr Creative Commons 共享。
　　我們可以使用 COMSOL Multiphysics 的傳熱仿真功能分析散熱器的散熱性能。COMSOL 軟件的靈活性和易用性非常高，我們可采用多種方法對散熱器散熱進行仿真分析。接下來，我們將以一個簡單的電子芯片散熱為例，探討其中的 2 種仿真方法。
　　使用 COMSOL Multiphysics? 模擬電子芯片散熱過程
　　在示例中，我們模擬了一塊通過周圍流體（空氣）進行冷卻的含散熱器的電子芯片。借助 COMSOL Multiphysics 軟件附加的傳熱模塊中的零件庫內(nèi)置的散熱器幾何零件，我們創(chuàng)建了模型幾何。自 COMSOL 5.3 版本起，軟件就內(nèi)置了這些零件。這些零件使散熱器的幾何建模流程變得更加簡單。

　　示例中的模型由一塊電子芯片和鋁質(zhì)散熱器組成，其中散熱器被安裝在一個橫截面為矩形的通道內(nèi)。此電子元件驅(qū)散了相當(dāng)于 5W 的熱量，這些熱量分布在整個芯片中。

　　
　　散熱器（灰色）和電子芯片（紫色）的模型幾何結(jié)構(gòu)。
　　空氣從入口（此處設(shè)定溫度值）流入，穿過通道，從出口流出。在這個過程中，對流是熱量傳遞的主要形式。在冷卻空氣中，熱量主要通過傳導(dǎo)和對流的方式傳遞，而在電子元件和散熱器中，熱量以傳導(dǎo)的方式傳遞。
　　在處理熱敏厚層時，我們能夠借助模型計算出多個元件之間的熱平衡，并識別出影響芯片和散熱器之間熱接觸的關(guān)鍵因素。通過求解模型方程，我們能夠評估散熱器的散熱能力，并預(yù)測電子元件的溫度分布。接下來，我們將討論求解此模型的 2 種方法，先從更高效的求解方法開始。
　　方法一：采用固體零件和對流冷卻邊界條件
　　種方法，我們只模擬了固體零件，并且在散熱器的邊界上應(yīng)用了對流冷卻邊界條件，來代替計算風(fēng)道內(nèi)的流速、壓力和溫度分布，從而實現(xiàn)快速求解。不過，計算結(jié)果的度取決于所定義的對流冷卻邊界條件中傳熱系數(shù)的可靠性。本例中，我們將傳熱系數(shù)設(shè)為一個經(jīng)驗值 10 W/(m^2·K)。
　　利用這種方法，我們對散熱器和芯片之間三種不同的熱接觸設(shè)置進行了測試，具體包括：
　　理想接觸
　　空氣層

　　導(dǎo)熱硅脂層

　　圖片理想接觸（左）、空氣層（中）和導(dǎo)熱硅脂層（右）設(shè)置的溫度繪圖。
　　與預(yù)期一樣，理想接觸對應(yīng)的溫度是三種設(shè)置中的值（約 84°C）。在模型中的散熱器和芯片之間加入空氣薄層后，溫度幾乎升至 95°C，導(dǎo)致通道冷卻系統(tǒng)的性能下降。
　　我們可以通過將空氣層替換成導(dǎo)熱硅脂層，來降低熱阻的影響。導(dǎo)熱硅脂層改善了散熱器底部和電子芯片頂部之間的熱接觸狀況。仿真結(jié)果預(yù)測出，導(dǎo)熱硅脂層設(shè)置下的溫度接近理想熱接觸的溫度。由此，我們可以推斷導(dǎo)熱硅脂可以幫助優(yōu)化散熱器設(shè)計。
　　方法二：添加一個空氣域
　　第二種方法是在模型中添加一個表示風(fēng)道的域，這種方法在計算成本上相對較高。在假定風(fēng)道內(nèi)是非等溫流動的前提下，我們可以利用此域計算出空氣的溫度分布和流場狀態(tài)。相較于種方法，第二種方法更加通用，且實用性更高，因為傳熱系數(shù)通常是未知的。采用這種方法，不需要計算傳熱系數(shù)的近似值，也能模擬氣流冷卻過程。

　　第二種方法的模擬結(jié)果顯示，電子元件的溫度約為 95°C。此外，散熱器后方出現(xiàn)的一條熱尾跡直觀地展示了其對流冷卻的效果。第二種模擬方法精度也更高，例如可以預(yù)測面向或背向氣流的翅片表面溫差，并將結(jié)果以可視化的形式呈現(xiàn)。

　

　　散熱器表面和風(fēng)道壁上的溫度場。

　　散熱器翅片上的溫差可視化繪圖。

　　我們可以通過修正模型來強化這一方法，用于分析接近 1 的較大表面輻射率。在如此高的輻射率下運行時，應(yīng)該考慮表面對表面輻射，因此我們在仿真中包括了這一效應(yīng)。這樣做以后，電子元件的溫度降低至 81°C 左右，如下圖所示。這一結(jié)果再次證實了當(dāng)表面輻射率很高時，應(yīng)該考慮輻射傳熱的影響。

　　圖片考慮了表面對表面輻射的散熱器溫度場分布。
　　如上文所述， 我們可以在 COMSOL Multiphysics 中采用不同的方法模擬電子設(shè)備的散熱過程，這是設(shè)計和優(yōu)化電子設(shè)備散熱器過程中的一個重要步驟。這幾種分析方法各有優(yōu)點，您可以根據(jù)自身需求，選擇計算效率更高或者精度更高的方法。