2024年4月15日发(作者：雪乐悦)
关于电子器件风冷散热器传热强化的数值模拟研究 覃升华
发布时间：2023-06-15T01:54:37.632Z 来源：《中国电业与能源》2023年7期 作者： 覃升华
[导读] 为切实保证电子器件使用安全，延长电子器件使用寿命，满足广大用户对其电子器件的使用需求，促进我国电子元件领域的长足发
展与进步。本文将对电子器件风冷散热器传热强化的数值模拟研究进行分析与研讨，本文首先对电子器件风冷散热器传热强化数值模拟研
究背景进行分析，其次，笔者以自身的项目工作经历为例，对电子器件风冷散热器传热强化数值模拟研究进行分析，以供参考与借鉴。
全亿大科技（佛山）有限公司 528051
摘要：为切实保证电子器件使用安全，延长电子器件使用寿命，满足广大用户对其电子器件的使用需求，促进我国电子元件领域的长
足发展与进步。本文将对电子器件风冷散热器传热强化的数值模拟研究进行分析与研讨，本文首先对电子器件风冷散热器传热强化数值模
拟研究背景进行分析，其次，笔者以自身的项目工作经历为例，对电子器件风冷散热器传热强化数值模拟研究进行分析，以供参考与借
鉴。
关键词：电子器件；风冷散热器；传热强化；数值模拟
引言
风冷散热器是电子元件进行散热的重要辅助工具，属于典型的被动式散热模式，借助对流换热，来带走电子元件运行过程中所产生的
高温，以此来有效的提升电子元件的运行性能。为进一步的提升电子器件风冷散热器的实际散热效能，有关技术人员可以将传热强化数值
模拟研究为主要手段，从而最大限度的提升风冷散热器散热性能，保证电子器件的安全平稳运行，促进我国电子器件领域的健康稳定发
展。
一、电子器件风冷散热器传热强化数值模拟研究背景
基于电子管路集成程度的不断提升以及封装技术的有效发展，电子元件单位的发热数值也在随之不断的提升。电子器件的温度与其自
身的使用时间有着极为密切的关系，当电子器件的温度不断升高时，电子会由此获得动能，继而发生迁移现象，从而对电子器件造成不可
逆转的伤害。电子器件的工作可靠性极易受温度的影响，一般情况下，器件温度在70℃至80℃及之上时，每增加1℃，可靠性就会下降约
5%，极大地缩短了电子器件的工作时间和使用寿命。因此，为切实保证电子器件的正常平稳运行，电子设备中的器件的最高温度往往需要
被控制在70℃至80℃之下。
电子器件的散热形式可以分为被动散热以及主动散热，其中被动散热是指通过外部的辅助设备来对电子器件进行降温，例如风机等制
冷设备。而主动散热是指通过介质本身的密度差所导致的自发流动来对电子器件进行降温。通常情况下，主动散热模式的能力有限，无法
有效的满足高密度散热需求。所以针对散热空间相对较大且热流密度相对较高的电子器件而言，被动式散热是其最好的选择。当前相对较
为常见的被动式散热方式一般涵盖风冷散热、水冷散热以及热电制冷等，其中风冷散热的介质获取方式相对较为简便，由散热器所产生的
气流会将电子器件的热量带走，以此达成散热目的。当前最为常见的散热装置及位置关系为置顶式风扇，通过外部送风的方式来将电气器
件的热量进行有效的处理。也有将风扇放置在散热器的一侧，以单向送风的方式来帮助电子器件进行降温。由于风冷散热器的使用成本相
对较低，而且结构相对较为简单，风冷散热是当前电子元件散热中最为常见的散热方式[1]。
二、电子器件风冷散热器传热强化数值模拟研究
笔者从事多年服务器方面散热器产品的开发设计工作，2019年至今任职于全亿大科技（佛山）有限公司，担任散热器产品开发部门工
程师，主要负责散热器产品的开发设计工作。2020年3月至2020年5月，负责某服务器项目的中低功率风冷散热器开发设计，散热器从主体
热源中心偏侧向上升起热导管和鳍片，优化与气流的接触效果。2020年7月至2021年11月，负责某服务器项目的中低功率风冷散热器开发设
计，散热器主体布置的热导管既向上拐弯传输热量，其底下也堆叠有向外延伸至外侧散热鳍片的热导管，立体传热，这种构型属于常规的
结构，从其理论层面而言，会简化生产制程、提高生产效率。2022年9月至2023年5月，负责某服务器项目的中等功率风冷散热器开发设
计，调整散热器主体在热源处的热管布局和堆叠方式，使用带有外侧散热鳍片的结构，从而满足日益增长的散热需求。2022年9月至今，负
责某服务器项目的中等功率风冷散热器开发设计，延伸出来的热管采用两两堆叠的方式，从而增大向外围传输热量的通道，增强向外围传
输热量的能力。2022年9月至今，也负责有热管滚压平整后与热源直接接触的中高功率风冷散热器开发设计任务。2023年2月至今，负责某
服务器项目的一前一后排列的中等功率风冷散热器组的开发设计等。基于此，笔者将以自身的工作经历为例，对电子器件风冷散热器传热
强化数值模拟研究进行简要分析，以期为有关工作人员提供帮助与建议。
（一）物理模型分析
笔者将以相对较为常见的风冷散热器为数值模拟分析原型，借助挡板对散热器的进风口进行部分遮蔽。散热器的材质为铝制品，外部
空气从散热器的两侧进入，并在散热器的上方流出，由于散热器内部的各个通道的气流运动情况相同。因此，在计算时，仅读取单体通道
数据。将挡板放置于散热器两侧进风口的上方，以此来减少散热器的进风面积，从而加强外部进气速度，挡板高度设为hp，实际计算中，
不对厚度因素进行考虑，散热器及空气的物理参数如下表所示。
表1散热器及空气物理参数数据表
导热
系数λW/
（m.k）
比热容
质
材密度
（ρkg/m3）
cpJ/
（kg.K）
粘度νm2/s
气
空
1.2250.02421006.43
1.7894×10-
5
铝
制品
2719202.4871/
（二）数值模型分析
在进行数值模拟研究时，需要进行以下条件假设：（1）外部流动气体设置为定常流动。（2）外部空气不能被当成不可压缩气体，空
气的物理性质参数设为常数。（3）基于强制对流换热而言，自然对流及辐射换热作用可以忽略不计。
借助CFD软件来对风冷散热器传热强化进行数值模拟分析，在没有挡板的情况下，风冷散热器两侧的进风速度变化取值为1m/s至
5m/s，与之相对应的雷诺数值为6362，因此可以甄选标准湍流模型。针对基板底面的设置条件而言，可以选取四个不同数值代入，分别
30W、60W、90W以及120W。散热器的两侧外壁也被称为对称边界，进口位置的外表面也被设置为绝热。针对局部受到挡板遮挡的散热器
结构而言，空气初始温度为300K，出口边界可以被设置成为压力出口，压力取值为一个大气压。散热器内部通道使用耦合传热模式，以标
准壁面函数计算公式来对其进行处理。除此之外，技术人员通过网格独立性来对其进行有效的验证，其中固体区域使用网格离散模式，流
体区域使用非结构化网格离散模式，以此来对其进行有效的区分。
（三）结果分析
以常见的风冷散热器为数值模拟分析原型，通过对其施加挡板来对风冷散热器进行数值模拟，得出以下结论：（1）两侧进风式散热
器，流道下方中心区域位置的空气流速相对较低，对流换热效能相对较弱，使得中心区域位置的基板温度要高于表面温度。（2）对风冷散
热器进风口上方进行部分遮盖，从而对散热器的流场分布造成了影响，在气体数量不发生改变的情况下，散热器下方的气体进口流速将得
到一定的提升，使得气流可以更好的被传输至底部的中心区域，以此来提升中心区域的对流换热效能，提高风冷散热器的散热性能。在高
热负荷以及低风量的条件下，风冷散热器性能改善效果相对较为明显。（3）以数值模拟分析所使用的风冷散热器为例，送风量相对较小
时，可以提高挡板高度，从而改善散热效果。但是进风口挡板高度的提升，会使用回流区域面积增多，从而出现卷吸现象，使得中心区域
的低速区域面积增多，从而导致散热性能下降，因此挡板高度需要适中为好，不可过高亦不可过低[2]。
结论
综上所述，风冷散热器作为当前电子器件相对较为常见的散热辅助装置，对其进行传热强化数值模拟研究。不仅可以有效的提升风冷
散热器的散热性能，改善电子器件的散热环境，提升电子器件的使用年限，降低用户的使用成本。因此，有关技术人员需要切实做好数值
模拟研究工作，以此来全面提升电子器件运行质量。
参考文献：
[1]李江波，吕小宇，赵昆，等.牵引逆变器IGBT风冷散热试验及仿真平台搭建[J].工程与试验，2021，61（01）：81-84.
[2]林弘毅，伍梁，郭潇，等.高功率密度SiC静止无功补偿器强迫风冷散热综合建模及优化设计方法[J].电工技术学报，2021，36
（16）：3446-3456.
2024年4月15日发(作者：雪乐悦)
关于电子器件风冷散热器传热强化的数值模拟研究 覃升华
发布时间：2023-06-15T01:54:37.632Z 来源：《中国电业与能源》2023年7期 作者： 覃升华
[导读] 为切实保证电子器件使用安全，延长电子器件使用寿命，满足广大用户对其电子器件的使用需求，促进我国电子元件领域的长足发
展与进步。本文将对电子器件风冷散热器传热强化的数值模拟研究进行分析与研讨，本文首先对电子器件风冷散热器传热强化数值模拟研
究背景进行分析，其次，笔者以自身的项目工作经历为例，对电子器件风冷散热器传热强化数值模拟研究进行分析，以供参考与借鉴。
全亿大科技（佛山）有限公司 528051
摘要：为切实保证电子器件使用安全，延长电子器件使用寿命，满足广大用户对其电子器件的使用需求，促进我国电子元件领域的长
足发展与进步。本文将对电子器件风冷散热器传热强化的数值模拟研究进行分析与研讨，本文首先对电子器件风冷散热器传热强化数值模
拟研究背景进行分析，其次，笔者以自身的项目工作经历为例，对电子器件风冷散热器传热强化数值模拟研究进行分析，以供参考与借
鉴。
关键词：电子器件；风冷散热器；传热强化；数值模拟
引言
风冷散热器是电子元件进行散热的重要辅助工具，属于典型的被动式散热模式，借助对流换热，来带走电子元件运行过程中所产生的
高温，以此来有效的提升电子元件的运行性能。为进一步的提升电子器件风冷散热器的实际散热效能，有关技术人员可以将传热强化数值
模拟研究为主要手段，从而最大限度的提升风冷散热器散热性能，保证电子器件的安全平稳运行，促进我国电子器件领域的健康稳定发
展。
一、电子器件风冷散热器传热强化数值模拟研究背景
基于电子管路集成程度的不断提升以及封装技术的有效发展，电子元件单位的发热数值也在随之不断的提升。电子器件的温度与其自
身的使用时间有着极为密切的关系，当电子器件的温度不断升高时，电子会由此获得动能，继而发生迁移现象，从而对电子器件造成不可
逆转的伤害。电子器件的工作可靠性极易受温度的影响，一般情况下，器件温度在70℃至80℃及之上时，每增加1℃，可靠性就会下降约
5%，极大地缩短了电子器件的工作时间和使用寿命。因此，为切实保证电子器件的正常平稳运行，电子设备中的器件的最高温度往往需要
被控制在70℃至80℃之下。
电子器件的散热形式可以分为被动散热以及主动散热，其中被动散热是指通过外部的辅助设备来对电子器件进行降温，例如风机等制
冷设备。而主动散热是指通过介质本身的密度差所导致的自发流动来对电子器件进行降温。通常情况下，主动散热模式的能力有限，无法
有效的满足高密度散热需求。所以针对散热空间相对较大且热流密度相对较高的电子器件而言，被动式散热是其最好的选择。当前相对较
为常见的被动式散热方式一般涵盖风冷散热、水冷散热以及热电制冷等，其中风冷散热的介质获取方式相对较为简便，由散热器所产生的
气流会将电子器件的热量带走，以此达成散热目的。当前最为常见的散热装置及位置关系为置顶式风扇，通过外部送风的方式来将电气器
件的热量进行有效的处理。也有将风扇放置在散热器的一侧，以单向送风的方式来帮助电子器件进行降温。由于风冷散热器的使用成本相
对较低，而且结构相对较为简单，风冷散热是当前电子元件散热中最为常见的散热方式[1]。
二、电子器件风冷散热器传热强化数值模拟研究
笔者从事多年服务器方面散热器产品的开发设计工作，2019年至今任职于全亿大科技（佛山）有限公司，担任散热器产品开发部门工
程师，主要负责散热器产品的开发设计工作。2020年3月至2020年5月，负责某服务器项目的中低功率风冷散热器开发设计，散热器从主体
热源中心偏侧向上升起热导管和鳍片，优化与气流的接触效果。2020年7月至2021年11月，负责某服务器项目的中低功率风冷散热器开发设
计，散热器主体布置的热导管既向上拐弯传输热量，其底下也堆叠有向外延伸至外侧散热鳍片的热导管，立体传热，这种构型属于常规的
结构，从其理论层面而言，会简化生产制程、提高生产效率。2022年9月至2023年5月，负责某服务器项目的中等功率风冷散热器开发设
计，调整散热器主体在热源处的热管布局和堆叠方式，使用带有外侧散热鳍片的结构，从而满足日益增长的散热需求。2022年9月至今，负
责某服务器项目的中等功率风冷散热器开发设计，延伸出来的热管采用两两堆叠的方式，从而增大向外围传输热量的通道，增强向外围传
输热量的能力。2022年9月至今，也负责有热管滚压平整后与热源直接接触的中高功率风冷散热器开发设计任务。2023年2月至今，负责某
服务器项目的一前一后排列的中等功率风冷散热器组的开发设计等。基于此，笔者将以自身的工作经历为例，对电子器件风冷散热器传热
强化数值模拟研究进行简要分析，以期为有关工作人员提供帮助与建议。
（一）物理模型分析
笔者将以相对较为常见的风冷散热器为数值模拟分析原型，借助挡板对散热器的进风口进行部分遮蔽。散热器的材质为铝制品，外部
空气从散热器的两侧进入，并在散热器的上方流出，由于散热器内部的各个通道的气流运动情况相同。因此，在计算时，仅读取单体通道
数据。将挡板放置于散热器两侧进风口的上方，以此来减少散热器的进风面积，从而加强外部进气速度，挡板高度设为hp，实际计算中，
不对厚度因素进行考虑，散热器及空气的物理参数如下表所示。
表1散热器及空气物理参数数据表
导热
系数λW/
（m.k）
比热容
质
材密度
（ρkg/m3）
cpJ/
（kg.K）
粘度νm2/s
气
空
1.2250.02421006.43
1.7894×10-
5
铝
制品
2719202.4871/
（二）数值模型分析
在进行数值模拟研究时，需要进行以下条件假设：（1）外部流动气体设置为定常流动。（2）外部空气不能被当成不可压缩气体，空
气的物理性质参数设为常数。（3）基于强制对流换热而言，自然对流及辐射换热作用可以忽略不计。
借助CFD软件来对风冷散热器传热强化进行数值模拟分析，在没有挡板的情况下，风冷散热器两侧的进风速度变化取值为1m/s至
5m/s，与之相对应的雷诺数值为6362，因此可以甄选标准湍流模型。针对基板底面的设置条件而言，可以选取四个不同数值代入，分别
30W、60W、90W以及120W。散热器的两侧外壁也被称为对称边界，进口位置的外表面也被设置为绝热。针对局部受到挡板遮挡的散热器
结构而言，空气初始温度为300K，出口边界可以被设置成为压力出口，压力取值为一个大气压。散热器内部通道使用耦合传热模式，以标
准壁面函数计算公式来对其进行处理。除此之外，技术人员通过网格独立性来对其进行有效的验证，其中固体区域使用网格离散模式，流
体区域使用非结构化网格离散模式，以此来对其进行有效的区分。
（三）结果分析
以常见的风冷散热器为数值模拟分析原型，通过对其施加挡板来对风冷散热器进行数值模拟，得出以下结论：（1）两侧进风式散热
器，流道下方中心区域位置的空气流速相对较低，对流换热效能相对较弱，使得中心区域位置的基板温度要高于表面温度。（2）对风冷散
热器进风口上方进行部分遮盖，从而对散热器的流场分布造成了影响，在气体数量不发生改变的情况下，散热器下方的气体进口流速将得
到一定的提升，使得气流可以更好的被传输至底部的中心区域，以此来提升中心区域的对流换热效能，提高风冷散热器的散热性能。在高
热负荷以及低风量的条件下，风冷散热器性能改善效果相对较为明显。（3）以数值模拟分析所使用的风冷散热器为例，送风量相对较小
时，可以提高挡板高度，从而改善散热效果。但是进风口挡板高度的提升，会使用回流区域面积增多，从而出现卷吸现象，使得中心区域
的低速区域面积增多，从而导致散热性能下降，因此挡板高度需要适中为好，不可过高亦不可过低[2]。
结论
综上所述，风冷散热器作为当前电子器件相对较为常见的散热辅助装置，对其进行传热强化数值模拟研究。不仅可以有效的提升风冷
散热器的散热性能，改善电子器件的散热环境，提升电子器件的使用年限，降低用户的使用成本。因此，有关技术人员需要切实做好数值
模拟研究工作，以此来全面提升电子器件运行质量。
参考文献：
[1]李江波，吕小宇，赵昆，等.牵引逆变器IGBT风冷散热试验及仿真平台搭建[J].工程与试验，2021，61（01）：81-84.
[2]林弘毅，伍梁，郭潇，等.高功率密度SiC静止无功补偿器强迫风冷散热综合建模及优化设计方法[J].电工技术学报，2021，36
（16）：3446-3456.