不同海拔高電腦機(jī)箱溫度場(chǎng)、流場(chǎng)計(jì)算分析

　　為確保電腦等電器設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，熱設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很重要的工作。不同海拔高度空氣的密度、壓力等性能下降很多，空氣這些性能的改變對(duì)電腦溫度場(chǎng)影響很大。為了能夠準(zhǔn)確的計(jì)算分析不同海拔高度地區(qū)電腦機(jī)箱溫度場(chǎng)問(wèn)題，對(duì)風(fēng)機(jī)的性能曲線變化進(jìn)行了分析研究，對(duì)建立在海平面上的主要傳熱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了修正，使不同海拔高度溫度場(chǎng)計(jì)算更為接近實(shí)際情況，為電腦等電器設(shè)備溫度場(chǎng)分析設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

　　為了使電腦等電器設(shè)備在設(shè)計(jì)的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，控制工作溫度不超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)鍵。電腦等電器散熱主要是依靠排風(fēng)扇散熱，其主要散熱形式是對(duì)流傳導(dǎo)。不同的海拔高度空氣的密度、空氣的壓力、溫度、空氣粘度等性能會(huì)發(fā)生很大的變化，海拔越高空氣越稀薄，越接近真空狀態(tài)。這些性能的改變會(huì)對(duì)流傳熱有很大的影響。這就需要建立起海拔高度和電器溫升之間的關(guān)系，準(zhǔn)確分析計(jì)算電腦等電器設(shè)備在不同海拔高度的溫度場(chǎng)，研究不同海拔高度傳熱特性，針對(duì)不同海拔高度合理進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，控制電腦等電器設(shè)備的溫升，確保其運(yùn)行安全穩(wěn)定。

　　多年來(lái)，關(guān)于電器、手機(jī)和電腦等溫度場(chǎng)的熱計(jì)方法有很多，其中數(shù)值計(jì)算方法可靠精度高。國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者采用數(shù)值計(jì)算方法都是針對(duì)在海平面和低海拔地區(qū)進(jìn)行的，然而我國(guó)的實(shí)際情況是水電、風(fēng)電、石油、煤炭等資源都在高海拔地區(qū)，隨著西部能源建設(shè)的需要，國(guó)內(nèi)對(duì)海拔高度對(duì)電氣設(shè)備溫升的影響制定了標(biāo)準(zhǔn)，但是相對(duì)高海拔地區(qū)傳熱研究文獻(xiàn)較少。通常的情況下，測(cè)算高海拔電子芯片等電子設(shè)備溫升是使用溫升修正系數(shù)，這種辦法誤差約在20%以上，精度達(dá)不到要求。

　　我國(guó)是屬于以高原為主的國(guó)家，國(guó)土面積有三分之二是1000 m 以上的高原，研究高海拔地區(qū)電腦等電器設(shè)備溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等散熱能力很現(xiàn)實(shí)意義。本文以一臺(tái)在高海拔地區(qū)運(yùn)行的電腦機(jī)箱為研究對(duì)象，根據(jù)電器設(shè)備傳熱理論與高海拔氣體流動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)茹卡烏斯數(shù)學(xué)模型和Chilton-colburn 等典型傳熱模型進(jìn)行了修正，通過(guò)對(duì)雷諾數(shù)和傳熱系數(shù)等熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了完善，建立電腦機(jī)箱三維流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合求解的數(shù)學(xué)模型與物理模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電腦在平原地區(qū)的實(shí)驗(yàn)值和海拔高度對(duì)電腦溫升的影響，建立了高海拔地區(qū)電器傳熱計(jì)算理論，對(duì)電腦在海平面和海拔4 km 兩種海拔高度運(yùn)行時(shí)的溫升進(jìn)行了實(shí)際計(jì)算，并將計(jì)算值和ANSYS14.0 仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，證明了修正后的數(shù)學(xué)模型是準(zhǔn)確實(shí)用性。為高海拔地區(qū)電器的熱設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù)和參考。

　　1、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃瓦吔鐥l件

　　1.1、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

　　由6個(gè)零件組成的分析實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ�，如圖1 所示該模型屬于系統(tǒng)級(jí)( 電腦機(jī)箱、機(jī)柜等) 電子封裝。電腦等電器散熱的方法主要有兩種形式，一是加裝排風(fēng)扇對(duì)發(fā)熱電子元件進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱；二是使用散熱器和IC 芯片等發(fā)熱量較大的電子器件相連接，以傳導(dǎo)方式進(jìn)行散熱。模型中鋁制散熱器散熱翅片Z 方向和X 方向都是6組，翅片形狀為圓形，直徑(D) 為20mm，散熱翅片采用順排方式。橫向間距(St) 為30mm，縱向間距(Sl) 為60 mm。PCB板的厚度是12mm，材料為FR-4，導(dǎo)熱系數(shù)是0.35W/m·K。鋁制散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)是205W/m·K。對(duì)流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)扇的特性曲線是非線性的，風(fēng)扇的體積流量由自定義的曲線來(lái)確定，隨海拔高度的變化，空氣的壓力、密度等空氣性質(zhì)發(fā)生變化，該特性曲線也隨之發(fā)生變化。該系統(tǒng)級(jí)模型還有一個(gè)用于散熱的百葉窗，這里設(shè)定其打開率為50%。在散熱器下面有一個(gè)500W 的電子芯片熱源。該機(jī)箱為封閉狀態(tài)。

表1 不同海拔高度空氣性能

圖1 仿真模型示意圖

　　1.2、邊界條件

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕�本尺寸和翅片形狀、翅片的排列方式都確定下來(lái)了，這是分析計(jì)算溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)。對(duì)該模型傳熱分析假設(shè)為穩(wěn)態(tài)條件，熱輻射忽略。傳熱介質(zhì)(空氣) 性質(zhì)如表1 所示。表中空氣的密度、空氣壓力和空氣的粘度等參數(shù)作為機(jī)箱熱溫度場(chǎng)分析計(jì)算的邊界條件。從表中可以看出，不同海拔高度空氣性能變化很大，如海拔4000 m 時(shí)，空氣分子的密度僅僅是海平面的66.8%；大氣壓力是海平面的60%，運(yùn)動(dòng)粘度也大大的降低，傳熱介質(zhì)這些參數(shù)對(duì)以對(duì)流散熱的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)有很大影響。所以，對(duì)不同海拔熱傳計(jì)算時(shí)，一定要考慮這些變化，這樣確定的邊界條件才真的接近實(shí)際數(shù)據(jù)，溫度場(chǎng)分析計(jì)算的結(jié)果才準(zhǔn)確。

　　如圖1 的系統(tǒng)模型所示，在各元器件功率不變、各尺寸不變的情況下，分別在海平面和海拔高度在4000 m 兩種情況，進(jìn)行熱分析計(jì)算，分別采用理論計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

　　圖2 所示是在海平面上的風(fēng)扇工作的特性曲線。海拔高度越高，空氣壓力越小，空氣密度降低，風(fēng)扇的工作特性曲線也發(fā)生變化。高海拔散熱風(fēng)扇通常有兩種，一種是高度補(bǔ)償型的，這種型式的風(fēng)扇通常在航空器上使用。另一種是轉(zhuǎn)速恒定型的，是電器設(shè)備上常使用的。

圖2 風(fēng)扇風(fēng)流特性曲線(海平面)

　　4、結(jié)論

　　分析了不同海拔高度流場(chǎng)傳熱特點(diǎn)，通過(guò)引入海拔高度參數(shù)，對(duì)不同海拔高度空氣密度等性能進(jìn)行了修正，對(duì)雷諾系數(shù)等傳熱參數(shù)進(jìn)行了修正，對(duì)典型的對(duì)流傳導(dǎo)公式進(jìn)行了修正，最后建立起來(lái)了不同海拔高度電腦機(jī)箱流場(chǎng)、溫度場(chǎng)計(jì)算模型。根據(jù)所建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽绾吞攸c(diǎn)，應(yīng)用了本文提出的傳熱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析計(jì)算，并在相同邊界條件下，進(jìn)行了仿真對(duì)比研究，其結(jié)論如下：

　　(1) 使用本文提出的不同海拔高度傳熱計(jì)算數(shù)學(xué)模型合理正確，進(jìn)行電腦等電器熱設(shè)計(jì)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化溫度場(chǎng)分析計(jì)算。

　　(2) 較為詳細(xì)的分析研究了不同海拔高度空氣的密度、空氣的運(yùn)動(dòng)粘度、環(huán)境溫度等參數(shù)對(duì)電腦等電器設(shè)備散熱的影響。對(duì)電腦等電器設(shè)備熱設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮海拔高的影響，才能保證電器設(shè)備運(yùn)行時(shí)，工作溫度不超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)電器設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　(3) 使用修正了的傳熱計(jì)算數(shù)學(xué)模型，提高了電腦等電器設(shè)備高海拔高度環(huán)境下運(yùn)行時(shí)的溫升的計(jì)算精度。

　　(4) 高海拔地區(qū)空氣壓力、空氣密度等下降，風(fēng)扇的特性曲線變化很大，風(fēng)扇散熱能力降低，高海拔地區(qū)電器運(yùn)行溫度比海平面運(yùn)行溫度高很多，在電器熱設(shè)計(jì)時(shí)，一定要考慮這一因素。