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1、总第91期第3期电子机械工程TotalNo.91No.32001年6月Electro-MechanicalEngineeringJun.2001X型材散热器的优化设计谢少英赵忄享殳王世萍(西安电子科技大学机电工程学院710071)【摘要】本文针对散热器在强迫风冷条件下的散热性能优化问题进行了分析研究。对于所采用的优化方案的热分析模型作了描述。分析了绕流对散热器性能的影响,并根据一种较为简便的数学模型,用迭代的方法确定出肋片上的实际流速。最后给出了采用这些模型计算出的在不同工作环境下型材散热器的优化尺寸。关键词散热器优化热阻绕流OptimalDesign
2、ofSectionBarHeatSinks【Abstract】Thestudywascarriedouttoanalyzetheoptimalthermalperformanceoftheheatsinksundergo2ingtheair-forcedcooling.Theoptimizationschemeandthethermalmodeladoptedinthesimulationaredescribed.Thebypasseffectontheperformanceofaheatsinkwasanalyzedandtheactualflowr
3、atethroughthefinswasdeter2minedbyiterationaccordingaconvenientmathmodel.Atlast,theoptimalgeometricaldimensionofasectionbarheatsinkresultingfromthosemodelsundervariousoperationconditionswaspresented.KeyWordsHeatsinksOptimizationThermalresistanceFlowbypass速被称为通道空气流速。1引言用管道将气流输入散热器
4、是一种增加通道流速的方法,如果采用完全的通道输送气流,散热器通道随着电子设备功率密度的增加及其整体形状因空气流速就可达到流向散热器的临近流速,在这种子的减小,采用耗费材料和制造成本最少的方案来情况下就可以确定散热器最大的理论热性能。设计性能优化的散热器显得尤为重要。在优化散热如果不采用管道输送气流,或完全的通道输送器热性能的过程中,首先要确定在特定的工作条件不可能实现时,当气流遇到散热器时会发生绕流现下给定散热器的最大理论热特性,其次要确定的就象,就会使换热系数减小,导致散热器的热阻上升。是散热器在实际工作条件下的热特性。对于一个带有散热器的集成块,系
5、统整体热特2优化原理性可根据总热阻来确定。总热阻由三个部分组成:内热阻Rjc,界面热阻Rcs以及散热器热阻Rsa:散热器的优化问题属于有约束多变量优化问Rtotal=Rja=Rjc+Rcs+Rsa题,其目标函数是散热器与环境之间的热阻,设计变Rjc和Rcs不受流速影响,可近似为常量,Rsa对流速量是设计者可控制的参数(肋高、肋长、肋厚、肋片数极为敏感,散热器的优化问题就转化为最小化Rsa目、肋片形状、肋片材料等)。的问题。这里采用复合形法进行求解。复合形法属约束在电子设备冷却应用中,所给定的流速通常是直接搜索法的一种,直接搜索法是在可行域中直接指流向散
6、热器的临近流速。但是,只有流经散热器比较函数值,不断用改进点代替最坏点,从而寻得最肋片的空气流速才是影响散热器性能的值,这一流优点的一种方法。这种方法对目标函数和约束函数的连续性和可微性没有要求,不用求导。X收稿日期2000-10-24©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第3期谢少英等:型材散热器的优化设计293型材散热器优化模型对型材散热器而言,其结构设计变量为肋高D、肋长L、肋片数Num(或肋片密度D
7、)、肋厚b(或肋间距s)。在给定散热器基底几何尺寸下,求散热性能最优的散热器几何构造的优化问题的数学描述为:min散热器与环境之间的热阻R图1s.t.1≤肋片数目Num≤很大的给定值(例ΔT11如1000)Rsa==+ÛqhAsmÛcp0≤肋厚b≤散热器宽度其中:h———换热系数;As———换热表面积;mÛ———流0≤肋高D≤较大的给定值过通道冷却剂的总质量流率;cp———等压比热。在通道风速给定的条件下,通过程序计算发现;对流换热系数可由Nusselt数导出,不同的流动肋片数Num和肋厚b有位于其上、下限之间的优化状态下Nusselt的计算公式不同,
8、因此热阻的计算是值,肋高D的最优值则始终是上限值。一个复杂的过程。流体的流动状态可分为三个区在
