電子設備外壁自然散熱綜合傳熱系數仿真研究

摘要：采用Boussinesq 假設對計算流體動力學中的自然對流傳熱行為進行研究，考察了電子設備外壁自然對流過程的傳熱特性。通過分析水平、豎直壁面和圓柱、球體曲面的自然對流過程，建立了自然對流傳熱系數公式。同時，研究了電子設備在工作環境下的輻射傳熱行為，簡化了輻射傳熱方程，獲得輻射傳熱系數公式。在此基礎上，整合對流傳熱系數公式和輻射傳熱系數公式，獲得和壁面溫度相關的綜合傳熱系數公式，該公式可以快速計算電子設備外壁與環境之間的傳熱量，為電子設備的熱管理設計提供更為便捷和有效的研究手段。

關鍵詞：Boussinesq；計算流體動力學；自然對流；輻射；綜合傳熱系數

中圖分類號：TB24 文獻標志碼：A

隨著電子技術的蓬勃發展，電子設備在科研、工業及消費領域中得到了廣泛的應用，研究電子設備的熱管理及熱可靠性的設計和分析方法越來越受到重視[1-3]。加熱卷煙、電子加熱設備、手機等手持式消費電子產品，需要嚴格控制外表面溫度，以保證其使用安全和能耗控制。自然冷卻是一種比較可靠的散熱方式[4-5]，無噪聲且經濟可靠，是電子產品散熱方式的首要選擇。通過自然冷卻設計，對電子設備提出合理的結構改進，將設備內部發熱器件的熱量通過最低的熱阻路徑傳至設備的外部環境，保證設備在合理的溫度范圍內正常工作[6-7]。

傳統的自然冷卻設計方法主要有經驗公式法[8-9]和理論分析法[10]。經驗公式法就是基于實驗數據總結出的經驗公式，選用合適公式進行設計計算。該方法雖然計算簡便，但受發熱體的幾何形狀和尺寸、溫度、環境等因素影響，準確性不高；理論分析法是基于流體力學、熱傳導理論和數學基礎推導出自然對流傳熱系數的計算公式，再依據該公式進行設計計算。該方法雖然計算簡便，但需要深厚的理論基礎，且不適用于復雜或不規則結構的自然冷卻計算。

仿真技術的發展有效地彌補了傳統經驗公式法在準確性和適用性上的一些不足之處。韋愈群等[11]通過數值仿真技術對高速永磁同步電機的溫度場進行研究，有效提升了電機散熱效率。康衛東等[12] 通過模擬計算分析某雙間接空冷塔系統的傳熱特性，進一步提升間接空冷塔出口水溫均勻度。對于電子設備的自然冷卻設計，傳統的經驗公式法對復雜因素的考慮較為有限，而仿真技術支持建立更加全面的模型，考慮發熱體的幾何形狀、溫度分布、環境條件等多種因素，從而可以更全面地模擬真實的傳熱過程。同時，仿真技術具有更大的靈活性，可以通過調整模型參數、考慮不同工況來進行多種冷卻情景的模擬，為自然冷卻設計提供了更便捷的方式。

論文采用計算流體動力學（CFD）方法，通過仿真模擬的技術手段，研究手持式消費電子產品結構、尺寸、姿態和環境等因素對自然對流傳熱的影響，為熱設計和外形設計耦合建立數據支撐。并將對流傳熱速率方程和輻射傳熱速率方程進行耦合，最終建立綜合傳熱系數公式，為快速評估傳熱計算提供基礎。