電子器件 技術(shù)文件COMSOL小型課程-傳熱I-2015

傳導(dǎo)和對流傳熱I應(yīng)用工程師施翀傳熱方式傳導(dǎo)傳熱需要材料材料的導(dǎo)熱性能通過熱導(dǎo)率k來表征溫差驅(qū)動支架上的傳導(dǎo)傳熱對流傳熱材料移動流體的材料屬性使用熱容來表征質(zhì)量流速率溫度對流傳熱熱流入口(白色)冷壁面(紅色)輻射透明介質(zhì)(空氣,真空,…)發(fā)射率和視角因子四次方定律

表面

/環(huán)境

也可以是半透明介質(zhì)TPV單元中的輻射傳熱固體中傳熱在固定不動的固體中的傳熱傳導(dǎo)傳熱熱導(dǎo)率:各向同性或各向異性，線性或非線性熱源,用戶定義或來自于其他物理場不同固體部分的熱接觸無限域利用曲線坐標系定義熱導(dǎo)率,見APP庫中模型:carbonfiberinfiniteelements熱源域，邊界，邊或點源多物理場耦合可以任意定義與變量相關(guān)與時間和空間相關(guān)

由于摩擦作用產(chǎn)生熱源引起的溫度場分布沉積電子束功率支持曲面但不考慮遮蔽效應(yīng)

用戶指定電子束的功率，原點位置以及方向精度高薄層結(jié)構(gòu)對于薄層結(jié)構(gòu)的專用特征薄層(電阻發(fā)熱)薄膜(薄膜流動)裂隙(裂隙流)薄桿

用于具有高縱橫比的幾何簡化薄層結(jié)構(gòu)避免復(fù)雜的薄層結(jié)構(gòu)(除非是周期性的)加熱電路中由于焦耳熱引起的熱應(yīng)力薄層結(jié)構(gòu)域邊界邊固體傳熱薄層薄桿流體傳熱薄膜多孔介質(zhì)傳熱裂隙薄層類型

熱通量薄層傳導(dǎo)熱阻通用薄層類型–如何選擇？傳導(dǎo):在薄層的縱向上忽略溫度梯度在薄層的切向上有熱通量熱阻:忽略切向上的熱通量熱導(dǎo)率為常數(shù),支持多層結(jié)構(gòu)無儲熱有時被用于設(shè)置一致的初始條件通用:等同于網(wǎng)格化的域

支持非線性材料可以添加熱源薄層當作用于其他特征時，熱阻和通用類型會區(qū)分上方和下方所有的層類型都適用于內(nèi)部和外部邊界可以將薄殼中傳熱接口以及一個傳熱接口耦合固體傳熱與薄殼傳熱耦合多尺度幾何:

復(fù)合層屏障案例高縱橫比4cm高(鋼)兩薄層(陶瓷)50μm75μm以2D邊界進行薄層的建模通過薄層之后的溫度變化沿z-軸的溫度對比結(jié)構(gòu)中的高橫縱比周期性微結(jié)構(gòu)通常不會明確表示需要等效均勻?qū)傩越Y(jié)構(gòu)中的高縱橫比已有APP熱接觸預(yù)置的模型壓力相關(guān)的熱傳導(dǎo)性(壓縮傳導(dǎo))流體傳導(dǎo)(間隙傳導(dǎo))表面對表面輻射貢獻(輻射傳導(dǎo))與結(jié)構(gòu)力學接觸和電接觸耦合摩擦熱源，并定義分割系數(shù)h=hc+hg+hr取決于結(jié)構(gòu)變形和接觸壓力的壓縮傳導(dǎo)取決于包埋氣體的間隙傳導(dǎo)取決于來自間隙表面輻射的輻射傳導(dǎo)無限元典型方法模擬很大的區(qū)域無限元方法模擬最關(guān)注的區(qū)域，在其周圍使用無限元域xX使用無限元域簡化的鋁板摩擦攪拌焊接在x方向上，將無限區(qū)域轉(zhuǎn)化為有限區(qū)域共軛傳熱節(jié)能使熱損耗最小化靜止的氣體作為熱絕緣材料較低的導(dǎo)熱率較輕的質(zhì)量限制對流(自然對流)控制腔體泡沫

窗戶的橫截面(左)以及放大之后的窗框(右)

窗框橫截面上的溫度場T有效傳熱在兩部分之間使換熱效果達到最大化流體作為能量的載體通常是強制對流相變固體壁面是為了流體產(chǎn)生混合

在殼-管換熱器中的溫度場和流線圖有效傳熱具有高導(dǎo)熱率的材料(如

銅和鋁)在固體部分和周圍流體之間增加熱交換面積案例:熱沉翅片(殼)風扇驅(qū)動降溫的電子設(shè)備中的溫度場分布.兩個鋁制翅片被用于增加電子器件和流體之間的熱交換面積.流體傳熱非等溫流自然對流強制對流層流或湍流對于湍流模型的溫度邊界層預(yù)置的換熱系數(shù)庫以及基于Nusselt關(guān)系式的等效熱導(dǎo)率

等溫域杯中水的溫度場邊界上的熱通量等溫域等效熱導(dǎo)率

非等溫流換熱系數(shù)不計算流體域中的傳熱使用牛頓冷卻公式計算熱通量從預(yù)置的換熱系數(shù)庫中選擇精確的h熱沉模型熱沉之下為發(fā)熱的芯片，產(chǎn)生

1W的熱源固體部分為傳導(dǎo)傳熱(芯片和熱沉)芯片和熱沉之間有熱阻層(導(dǎo)熱硅脂)換熱系數(shù)h=10W/m2/K被用于描述熱沉表面，描述其與流體之間的換熱空氣流真空保溫瓶案例真空保溫瓶等溫域可用于流體或固體，每一個求解域只有一個自由度DOF共軛傳熱–層流

共軛傳熱:固體和流體之間的傳熱封裝芯片溫度較高空氣流中的溫度較低流體域上的溫度分布共軛傳熱–湍流在流/固界面處溫度變化很大湍流增加了流體的熱導(dǎo)率專業(yè)的接口可以用于求解溫度場和流場高溫

低溫流體/固體界面的較大溫度梯度流-固界面溫度場和熱通量在流-固界面處是連續(xù)的熱和動量邊界層Prandtl數(shù):Pr≈1,dT≈dM

Pr>>1,dT<dM

Pr<<1,dT>dM

典型數(shù)值空氣(1atm,20°C):0.7水

(20°C):7固體壁面附近的自然對流空氣中的法向溫度(紅)和速度(藍)場強制對流流動受主動驅(qū)動增加傳熱效果Reynolds數(shù)為慣性力和粘性力之比

低Reynolds數(shù):層流高Reynolds數(shù):湍流層流動量邊界層厚度

強制對流冷卻的圍繞熱沉的流線和溫度場自然對流浮力驅(qū)動Rayleigh數(shù)表征傳熱的機制

低Rayleigh數(shù):傳導(dǎo)為主高Rayleigh數(shù):對流為主(層流或湍流)層流時的熱邊界層厚度真空保溫瓶周圍自然對流引起的溫度場(左)和速度場(右)一些有用的特征數(shù)名稱標簽表達式意義Reynold數(shù)Re慣性力和粘性力的比值Re>2000意味著取決于強制對流的湍流Prandtl

數(shù)Pr粘性和熱擴散的比值低Pr–擴散(傳導(dǎo))傳熱為主導(dǎo)高Pr–對流傳熱為主導(dǎo)Grashof數(shù)Gr

浮力和粘性力的比值Gr>108

為湍流Rayleigh數(shù)Ra低Ra–傳導(dǎo)為主高Ra–對流為主超高Ra(>109)–自然對流引起的湍流查看APP庫中的buoyancyflowinwaterpdf文檔量化

自然對流

vs強制對流在混合對流mixedconvection案例中

(自然和強制對流同時存在)人們常想知道究竟有多少對流是取決于外部約束，比如泵中的流速，以及有多少自然對流發(fā)生在系統(tǒng)中。Gr和Re的平方可以為我們提供信息。

自然對流混合對流強制對流接口選擇共軛傳熱=湍流NITF多物理場特征描述了湍流傳熱在SPF接口中進行湍流的設(shè)定壁條件取決于SPF模型

網(wǎng)格策略缺省網(wǎng)格會自動定義邊界層網(wǎng)格自動增加壁面附近大梯度的解析度強耦合強&非常強耦合Moderate耦合-適用于較緩和的流體屬性變化,強制對流-內(nèi)存較少

-對初始條件較不敏感Intensive耦合

-適用于大的流體屬性變化，自然對流-杰出的收斂性

自動求解器設(shè)置，在有些情況下是最佳選擇，但是有時需要手動配置弱耦合熱沉模型熱沉之下為發(fā)熱的芯片，產(chǎn)生1W的熱源固體部分為傳導(dǎo)傳熱(芯片和熱沉)芯片和熱沉之間有熱阻層

(導(dǎo)熱硅脂)通道中為強制對流空氣流多孔介質(zhì)中傳熱對于所有相采用平均溫度表征地熱流體靜止熱量的分散取決于多孔介質(zhì)中的彎曲路徑體平均材料屬性多孔介質(zhì)中的NITF多孔介質(zhì)中由浮力產(chǎn)生自然對流的速度場(左)和溫度場(右)局部熱非平衡每一相使用一個傳熱接口(流體，固體)局部熱非平衡多物理場特征將這兩個接口聯(lián)系起來定義了兩相間的熱通量來描述它們之間的溫差多孔介質(zhì)中傳熱vsLTNE什么時候需要局部熱非平衡?流體和固體部分條件不一致流入冷/熱流體在其中一相中具有較大熱源在空隙尺度具有較大的熱阻,小Sparrow數(shù)Tave