基于Phonopy与Phono3py的晶格热输运仿真

关键词：电子散热；自然对流；FloTHERM；有限元仿真；散热器一、文章简要介绍电子元件工作时会发热，温度太高会影响寿命和可靠性；在功率不大、又不方便加风扇的场合，散热器（散热片）是常用的被动冷却方案。散热走的是传导、对流和辐射三条路，其中自然对流很吃重力和安装朝向：散热片怎么摆、翅片之间的热空气能不能顺畅上升，直接决定它好不好用。这篇工作就盯住这一点，用一个厚膜电阻配铝制散热器，在四种装配状态下测温度，再用有限元仿真把现象和原因算清楚（DOI：10.3390/pr11030896）。二、FloTHERM XT 仿真建模与设置（重点）仿真用西门子 Simcenter Flotherm XT 2021.2 完成。作者先按实验装配建了三维 CAD 几何：厚膜加热元件被简化成不锈钢基底加散热部件，两颗固定螺钉也做了简化，因为螺纹要真实建模会吃掉大量计算资源，而对热传递的影响很小。材料参数取自 Flotherm XT 自带的材料库：散热器用阳极氧化铝，导热系数 140 W/(m·K)，辐射系数 0.8，阳极氧化表面比光亮铝高很多；螺钉用钢，51.9 W/(m·K)；厚膜基底用不锈钢，16.3 W/(m·K)；发热体用铜，395 W/(m·K)。没有单独指定辐射系数的部件，默认表面发射率取 0.4。求解类型选流动，传热分析类型设为稳态，因为关心的是系统达到热平衡之后的温度。湍流模型设为层流与湍流兼顾，让软件按需要自动处理。不装导热垫的两个装配里，元件与散热器直接接触，仿真中在两者之间加了一层热阻，取值 0.003 (K·m²)/W。软件采用以单元为中心的有限体积法，在局部加密的矩形网格上对控制方程做守恒离散；控制方程是层流与湍流的 Navier-Stokes 方程，并用 K-E 模型求解湍动能及其耗散率。网格无关性在前期专门做了验证，一共试了 7 套网格，单元数从 18 万一路加到 1524 万；第 6 套与第 7 套在相同测点的温度差不到 0.05 摄氏度，所以四组仿真统一采用第 7 套网格，总单元数超过 1500 万。固体部件上还加了边界层网格，散热器翅片附近用表面膨胀网格局部加密。第一组仿真（对应 Setup 1）做了标定：调节发射率、接触热阻和气流速度，让结果贴近实测；其余仿真沿用同一套参数，只改重力方向和是否有导热垫。三、仿真结果与实验对比实验用 7 个热电偶测温，2 个在厚膜加热体上，4 个在散热器上，1 个测环境温度。四种装配对应两种重力方向（相对翅片垂直或平行）与有无导热垫的组合。结果很清楚：当翅片平行于重力方向时，翅片间的热空气能自然上升，通道里的气流被带动起来，散热变好。不加导热垫时，旋转散热器后各测点温度下降了约 7.7 到 7.9 摄氏度；加了导热垫后，下降约 5.6 到 6.4 摄氏度，最大降幅达到 8.2 摄氏度。原因在于自然对流加强后，加热体先被冷却得更好，传导进散热器的热量随之减少，所以散热器本体的温降比加热体更大。仿真的温度值和实测吻合得很好，趋势也一致，说明这套模型能把重力方向的影响复现出来。对空间受限、只能被动散热的电子设备来说，装配朝向和散热器的选择同样重要。来源：320科技工作室