某型地面电子设备具有器件热流密度高、总热耗大的特点，常用机加工的铝翅片配合大风量的风机已难以满足该型设备的热控要求，为了提高该型电子设备风冷结构的性能，本文基于Icepak对其风冷散热器不同翅片结构形式进行了仿真分析研究，探索翅片结构和风机供风方向对设备热控性能的影响，为该型电子设备风冷散热器的设计提供了改进方法。

仿真模型

01物理模型

某型地面电子设备风冷散热器结构如图1所示，发热器件1和发热器件2安装于换热装置上表面，换热装置整机尺寸为107mm×331mm×500mm，其内部翅片换热器的尺寸为96mm×440mm×317mm，翅片散热结构上安装有两种发热器件，发热器件1总热耗为300W，发热器件2单个热耗为120W，采用四个EBM 8214JH4风机进行强迫风冷散热，环境温度为地面55℃。

图1 某型风冷散热器结构

02数学模型

采用Icepak仿真分析翅片换热器的散热性能，在仿真前做如下假设：

1) 假设空气不可压缩。

2) 空气的热物性与温度无关。

3) 忽略辐射和空气对流影响。

4) 热源与散热结构之间存在接触热阻，采用厚度为1mm，导热系数为8W/mK的导热衬垫。

5) 发热器件1材料为铝合金6061，发热器件2材料为紫铜，设备结构材料为铝合金6061，翅片结构材料为铝合金1100，翅片结构与设备结构之间采用钎焊，可忽略其接触热阻。

模型中所用材料的热物性如表1所示。

表1 所用材料的热物性

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

能量方程：

(3)

雷诺数大约在6000~9000之间，采用k-ωSST模型进行求解。

在仿真过程中，采用SpaceClaim对模型进行简化（如图2所示），采用Icepak软件自带的网格划分模块进行模型网格划分，在仿真过程中根据翅片结构的变化适当调整网格单元数目，在满足网格质量要求与仿真精度的条件下，模型网格数量大约在1200W~2300W之间。

图2 简化后的风冷散热器仿真模型

结果分析与讨论

本次研究中所采用的EBM8214JH4型风机具有压头大、风量大的特点，在总热耗较大的地面电子设备上广泛使用，因此在采用EBM8214JH4时，散热器的翅片尺寸能够更大，对于风冷散热器，增强其散热效果的主要手段有：①提高散热器换热面积，即在单位体积内增加翅片数量；②增加气流在翅片结构中的湍流度。因此在本次研究中主要针对上述两点进行相关分析。

01.翅片分段数目对散热器热阻的影响

在空气流动方向上翅片出现分段能够有效提高气流在翅片结构中的湍流度，但是由于结构的限制，在翅片结构不变的情况下，翅片分段的增加，必然导致翅片总换热面积的减小，进而影响散热器的总热阻，因此在仿真分析过程中，假设翅片厚度为2mm，翅片间距为5.7mm，翅片数目为40根时，沿空气流动方向将翅片分别等分为2段、3段、4段、5段，每段之间间距为5mm时，得出散热器的热阻变化如图3所示，可以得出当翅片为1段时，散热器的总热阻最小，即散热器的散热效率最佳，而当散热器的翅片从1段增加至4段时，散热器的热阻逐渐增大，而当散热器的翅片为5段时，散热器的总热阻开始减小。从总热阻的变化趋势来看，进一步增加翅片分段数目，能够减小散热器的总热阻，但是需要指出的是，本次研究中所采用的散热器中翅片高度达到96mm，分段数目的增加会导致翅片加工量和加工难度的上升，这在实际工程应用中并不可取。而且从图4散热器安装面温度分布来看，温度分布完全相似，对比整个安装面的温度梯度分布可以得出当采用1段翅片结构时，散热器安装面的温度梯度相对最小，这主要是因为翅片沿流动方向无分段，热量在翅片流动方向上能够充分扩散，进而导致散热器安装面的温度梯度更小，本次研究中，发热器件1和发热器件2的热流密度差异较大，因此可以得出，当散热器冷却对象的热流密度差异较大时，采用1段翅片效果相对最佳。

图3 翅片分段数目对散热器总热阻的影响

图4 散热器安装面温度分布

图3所示，随着翅片分段数目的增加，散热器的总热阻发生变化，这主要是由于翅片分段间隔处流场发生变化，导致湍流度局部增加，图5所示为翅片中心截面的速度场分布，可以看出在翅片分段出，流速发射了明显变化，但是由于翅片分段数目有限，流速的变化影响范围较小，几乎仅限于分段处部分区域，结合图3所示的总热阻变化情况可以得出，当散热器结构较大时，在一定范围内增加翅片分段数目并不能有效降低散热器的总热阻。

图5 翅片结构中的流场分布

02.翅片厚度对散热器性能的影响

假设翅片总体积相同，改变翅片厚度和翅片数量，同时改变风机的进出风方向，通过仿真分析得出以下结果，从图6所示的散热器总热阻变化可以得出，对于此次研究的风冷散热器，采用抽风形式时，无论翅片厚度如何变化，其总热阻均小于吹风形式。随着翅片厚度的增加，散热器的总热阻呈现出先变小再变大的趋势，对于抽风形式，当翅片厚度为1mm时，总热阻最小，对于吹风形式，当翅片厚度为1.5mm时，总热阻最小。

图6 翅片厚度对散热器总热阻的影响

由图7和图8可知，吹风形式下散热器安装面的温度梯度远小于抽风形式下散热器安装面的温度梯度，这主要是由于本次研究中发热器件1和发热器件2热流密度差距较大，发热器件1的热流密度和总热耗远小于发热器件2的热流密度和总热耗。因此不同的进风形式会导致散热器安装面温度梯度不同。

由图7可知，在抽风形式下，当翅片厚度为1mm时，散热器安装面的最高温度低于其他三种情况，这与图6所示的总热阻变化趋势相同。进一步说明翅片厚度为1mm时，散热器散热效率最佳。由图8可知，在吹风形式下，当翅片厚度为1.5mm时，散热器安装面的最高温度低于其他三种情况，这与图6所示的总热阻变化趋势相同。进一步说明翅片厚度为1.5mm时，散热器散热效率最佳。

图7 抽风形式时散热器安装面温度分布

图8 吹风形式时散热器安装面温度分布

结论

本文对某型地面电子设备强迫风冷结构进行仿真模拟研究，得出以下结论：

1) 翅片分段虽然能够提高散热器中流场的湍流度，但是对于较大的翅片结构，分段并不能有效降低散热器的总热阻。

2) 对于本文讨论的散热器结构，吹风形式下的总热阻大于抽风形式下的总热阻，因此在实际设计过程中应采用抽风形式，翅片厚度为1mm时，散热效率最佳。

引用本文：

孙飞.基于Icepak的强迫风冷散热器数值模拟研究[J].环境技术,2022,40(01):142-146.