散热器翅片长度对散热能力影响的仿真

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1、散热器翅片长度对散热能力影响的仿真研究与优化Emulationandoptimizationtothelengthofradiatorwinginfluencingheatdissipationability陈姿伶（电子科技大学，成都，610054）摘要：利用ANSYS有限元分析软件，模拟温度场，在整体高度最优范围内设计散热效果好又省原料的散热片。关键词：ANSYS;模拟;优化;拟合;检验随着CPU工作主频的不断提高，其发热量不断增大，散热器已成为不可忽视的计算机配件。散热设计也越来越最重要。散热器的散热能力和它的底部厚度以及

2、散热面积都有关系,总体说来底部越厚,热容量越大,温度波动越小，动态散热能力越强；散热面积越大,导热速度越快，静态散热能力越强。同时实际中对散热器的整体重量有很严格的要求,不能超过CPU厂家规定的上限。本实验运用ANSYS公司的有限元分析软件，快速建立模型，模拟CPU散热形式，分析改进模型，在外界条件相同的情况下达到较好的散热效果。1.实验基本原理[1]ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，模拟温度场,按照有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。热力学第一定律，即能量守恒定律：对于一个封闭的系统（没有质量的流入或

3、流出〕Q−W=∆U+∆KE+∆PE式中：Q：热量；W：作功；∆U：系统内能；∆KE：系统动能；∆PE：系统势能；ANSYS热分析又分为稳态传热和瞬态传热两种。对于稳态热分析：Q=∆U=0，即dU流入系统的热量等于流出的热量；对于瞬态热分析：q=，即流入或流出的热传递速率dtq等于系统内能的变化。ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。热传导是完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。遵循傅里叶定dT2律：q′′=−k，式中q′′为热流密度（W/m），k为导热系数（W/m-℃

4、），“-”表示热量dx流向温度降低的方向。热对流指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。它又分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述：q’’=h(TS-TB)，式中h为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等），TS为固体表面的温度，TB为周围流体的温度。热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。本实验仅考虑在稳态传热的情形下的热传导和热对流。[作者介绍]陈姿伶（1984-）女电子工程学院23021040班二年级本科生本文为课题型物理实验课程论文，指导老

5、师：霍中生2.用ANSYS有限元分析软件对散热器建模先建立散热器实体模型，划分有限元网格，再在边界上施加对流、热流密度等条件，对各有限元进行计算，最后得到结果。将单元类型定义为SOLID90，即热实体中的二十节点六面体单元。因为市场上的CPU散热片大都采用铝，因此将材料特性定义为铝的导热系数，考虑到合金铝的导热系数比纯铝低，取为220（W/m-℃）。采用自顶向下的方式建立模型，再用布尔运算雕刻模型，其外型图如图1所示:图1散热器外形尺寸(单位:毫米)考虑到用默认单元尺寸生成的网格不合适，因此采用局部网格划分控制，即通过表面的边

6、界所用的单元边长控制总体的单元尺寸。施加载荷时假设发热电阻向散热器底部提供的的热流是恒定的，设热流密度值为100002W/m。实验的对流条件看作是在空气温度为２０℃下的自然对流。因为实验研究的是在同2一外部条件下散热器的高度对散热能力影响，假设对流系数是定值：2０W/m-℃。3.优化设计在散热片长宽不变的情况下，改变高度得到模拟结果如图2如示：图2整体高度变化与温度关系曲线图可见散热片越高散热性能越好，但高度达到0.06m以后，性能增加已不明显，考虑到成本与高度成正比的关系，综合优化，整体高度应该在0.05m~0.06m比较合

7、理，典型数据为当h=0.05m时，核心温度模拟值为T=49.995℃。再进一步研究每片散热片高度改变时对温度的影响，因为对称性，研究5对翅片的改变。设最外面一对的翅片代号为1，依次类推最中间一对的代号为5。令其余4对的高度保持0.06m,改变其中任意一对高度得到的结果如表1所示：表1：每对散热片高度与温度关系高度第1对第2对第3对第4对第5对（m）（℃）（℃）（℃）（℃）（℃）0.03052.70552.73052.77552.84352.9170.03552.17152.19852.23752.29252.3500.0405

8、1.67851.70051.73051.77251.8170.04551.21551.23151.25451.28451.3150.05050.78150.79250.80650.82650.8460.05550.37550.38050.38750.39750.406由数据可