纺织结构散热器换热过程的数值模拟

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基于目前商用针翅结构散热器在制造上和共面性上的局限性,一种新型的柔性纺织结构散热器被研制。作为一种新型散热器,其散热性能的研究尚属空白。如今,有限元分析方法被广泛应用于研究各种电子封装设备中散热器的散热性能,这可节约产品开发成本和提高研发设计效率。本文通过这种研究方法,对纺织结构散热器的散热性能做了一定的数值分析,探讨结构参数与散热性能的关系,为建立该类散热器的质量评价体系和产品开发提供指导及依据。鉴于纺织结构散热器的散热性能主要由工况条件以及针翅的高度、直径、针翅间距决定,本研究从以下几方面展开。(1)为了分析纺织结构散热器的散热性能,基于制备的实验样品,采用三维制图软件建立不同参数的纺织结构散热器的几何模型。纺织结构散热器是由不同屈曲的地径、纬纱和绞经组成的,绘制该散热器的三维立体图的方法不同于传统散热器。本文是通过二维平面取三维坐标点的方法构建纺织结构散热器的曲线结构。并通过后期的微调使纺织结构散热器完全呈现在三维制图软件中。(2)通过研究纺织结构散热器和针翅结构散热器在不同对流状态下的散热性能,发现在自然对流状态下纺织结构散热器的散热性能比针翅结构散热器的散热性能差,而在强制对流状态下纺织结构散热器的散热性能要优于针翅结构散热器。采用在材料消耗量增加较少的条件下能较多的增大面积的方法,即有效方法,以铜为原料,采用相同体积的针翅材料,根据纺织结构散热器和针翅结构散热器二者几何结构的特性,设计了不同的几何模型,并运用有限元分析的方法研究散热器的散热性能。首先,针对自然对流状态下两种散热器的散热性能做了一定的研究。经研究发现,在自然对流状态下纺织结构散热器的散热性能比针翅结构散热器的散热性能差。随后,本文使用相同的方法,采用相同的几何结构对强制对流状态下两种散热器的散热性能做了对比研究,经过研究发现,在强制对流状态下纺织结构散热器的散热性能要优于针翅结构散热器。最后,本文根据相关的温度分布云图和温度分布曲线,结合相关的理论知识对造成这一结果的原因进行了相关的理论分析。经过分析发现,在相同体积用料下纺织结构散热器针翅的分布稠密,针翅的间距较小,因此对空气具有一定的阻滞作用。再加上自然对流状态下流体的流动是由于温度分布不匀引起的,流体本身的速度较慢,因此针翅表面的热量不能被充分带离,从而导致纺织结构散热器表面的热量输出比较慢。而在强制对流状态下,流体的速度是由外界风扇提供,在研究的过程中可通过控制风速来消除动力不足的现象,从而彰显针翅散热表面积较大的优势,使得纺织结构散热器的散热性能要优于针翅结构散热器。(3)通过研究强制对流状态下,针翅的长度、针翅截面半径、针翅间距以及风口的位置对纺织结构散热器散热性能的影响,发现当风口与针翅顶端竖直距离固定时,散热器的散热效果随着针翅高度的增加呈先增加后趋于平缓的趋势,并且纺织结构散热器存在最优的针翅间距和针翅密度。由于在强制对流下纺织结构散热器的散热性能优于针翅结构散热器。因此,这部分将集中研究在强制对流状态下纺织结构散热器的散热性能。根据纺织结构散热器散热单元——针翅的几何及结构特点,这里针对在上吹风状态下针翅的长度、针翅截面半径和针翅间距对散热效率的影响做了相关研究。经研究发现,当风口位置固定不变时,纺织结构散热器的散热性能随着针翅的高度先增加后趋于平缓;当风口与针翅顶端距离固定时,散热器的散热效率随着针翅高度的增加呈先增加后下降的趋势。同时,随着针翅间距的增大散热器达到热平衡的时间呈先减小后增加的趋势,而散热效率呈先增加后减小的趋势。并且纺织结构散热器的散热性能在针翅半径为0.075mm~0.2mm的范围内呈现变好的趋势。综上所述,与传统的散热器相比,纺织结构散热器因其结构的特殊性,在自然对流状态下其散热性能差,而且随着散热器尺寸的增大,这种差异会更加明显;在强制对流状态下,其散热性能较好,并且在上吹风状态及风口位置固定不变时,纺织结构散热器的散热性能随着针翅的高度先增加后趋于平缓;当风口与针翅顶端距离恒定不变时,散热器的散热效果随着针翅高度的增加呈先增加后上升的趋势。当然,鉴于决定散热器散热效率的因素除了散热器本身材料及结构之外,还包括装配条件等,可优化的方向不仅局限于以上几个参数。因此,为了全面确定纺织结构散热器在使用中的散热效果,对于纺织结构散热器的优化分析还需进行装配过程及使用环境分析。
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