0 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，最终将会导致电子元件由于高温影响而烧毁[1]。

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[2]。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。

图1 电子元件矩形区域几何模型Fig.1 Geometric model of rectangular area of electronic components

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[3]：（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[4]：

（1）连续性方程又称质量方程，为

式中：u，v，w——流体在x，y，z 方向上的速度分量，m/s。

（2）动量方程为

式中：Ui——i 方向上的速度分量，m/s；xi——坐标；p——流体密度，kg/m3；μ——动力黏度，kg/m·s。

（3）能量方程为

式中：T——温度，K；α——流体热扩散率，m2/s。

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。

图2 散热模型网格模型图Fig.2 Grid model of heat dissipation model

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[5]。

表1 材料属性Tab.1 Material properties

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[6]。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，最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，根据达到稳态时的最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最好。

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