电子器件 技术文件COMSOL小型课程-传热I-2015

传导和对流传热I应用工程师施翀传热方式传导传热需要材料材料的导热性能通过热导率k来表征温差驱动支架上的传导传热对流传热材料移动流体的材料属性使用热容来表征质量流速率温度对流传热热流入口(白色)冷壁面(红色)辐射透明介质(空气,真空,…)发射率和视角因子四次方定律

表面

/环境

也可以是半透明介质TPV单元中的辐射传热固体中传热在固定不动的固体中的传热传导传热热导率:各向同性或各向异性，线性或非线性热源,用户定义或来自于其他物理场不同固体部分的热接触无限域利用曲线坐标系定义热导率,见APP库中模型:carbonfiberinfiniteelements热源域，边界，边或点源多物理场耦合可以任意定义与变量相关与时间和空间相关

由于摩擦作用产生热源引起的温度场分布沉积电子束功率支持曲面但不考虑遮蔽效应

用户指定电子束的功率，原点位置以及方向精度高薄层结构对于薄层结构的专用特征薄层(电阻发热)薄膜(薄膜流动)裂隙(裂隙流)薄杆

用于具有高纵横比的几何简化薄层结构避免复杂的薄层结构(除非是周期性的)加热电路中由于焦耳热引起的热应力薄层结构域边界边固体传热薄层薄杆流体传热薄膜多孔介质传热裂隙薄层类型

热通量薄层传导热阻通用薄层类型–如何选择？传导:在薄层的纵向上忽略温度梯度在薄层的切向上有热通量热阻:忽略切向上的热通量热导率为常数,支持多层结构无储热有时被用于设置一致的初始条件通用:等同于网格化的域

支持非线性材料可以添加热源薄层当作用于其他特征时，热阻和通用类型会区分上方和下方所有的层类型都适用于内部和外部边界可以将薄壳中传热接口以及一个传热接口耦合固体传热与薄壳传热耦合多尺度几何:

复合层屏障案例高纵横比4cm高(钢)两薄层(陶瓷)50µm75µm以2D边界进行薄层的建模通过薄层之后的温度变化沿z-轴的温度对比结构中的高横纵比周期性微结构通常不会明确表示需要等效均匀属性结构中的高纵横比已有APP热接触预置的模型压力相关的热传导性(压缩传导)流体传导(间隙传导)表面对表面辐射贡献(辐射传导)与结构力学接触和电接触耦合摩擦热源，并定义分割系数h=hc+hg+hr取决于结构变形和接触压力的压缩传导取决于包埋气体的间隙传导取决于来自间隙表面辐射的辐射传导无限元典型方法模拟很大的区域无限元方法模拟最关注的区域，在其周围使用无限元域xX使用无限元域简化的铝板摩擦搅拌焊接在x方向上，将无限区域转化为有限区域共轭传热节能使热损耗最小化静止的气体作为热绝缘材料较低的导热率较轻的质量限制对流(自然对流)控制腔体泡沫

窗户的横截面(左)以及放大之后的窗框(右)

窗框横截面上的温度场T有效传热在两部分之间使换热效果达到最大化流体作为能量的载体通常是强制对流相变固体壁面是为了流体产生混合

在壳-管换热器中的温度场和流线图有效传热具有高导热率的材料(如

铜和铝)在固体部分和周围流体之间增加热交换面积案例:热沉翅片(壳)风扇驱动降温的电子设备中的温度场分布.两个铝制翅片被用于增加电子器件和流体之间的热交换面积.流体传热非等温流自然对流强制对流层流或湍流对于湍流模型的温度边界层预置的换热系数库以及基于Nusselt关系式的等效热导率

等温域杯中水的温度场边界上的热通量等温域等效热导率

非等温流换热系数不计算流体域中的传热使用牛顿冷却公式计算热通量从预置的换热系数库中选择精确的h热沉模型热沉之下为发热的芯片，产生

1W的热源固体部分为传导传热(芯片和热沉)芯片和热沉之间有热阻层(导热硅脂)换热系数h=10W/m²/K被用于描述热沉表面，描述其与流体之间的换热空气流真空保温瓶案例真空保温瓶等温域可用于流体或固体，每一个求解域只有一个自由度DOF共轭传热–层流

共轭传热:固体和流体之间的传热封装芯片温度较高空气流中的温度较低流体域上的温度分布共轭传热–湍流在流/固界面处温度变化很大湍流增加了流体的热导率专业的接口可以用于求解温度场和流场高温

低温流体/固体界面的较大温度梯度流-固界面温度场和热通量在流-固界面处是连续的热和动量边界层Prandtl数:Pr≈1,dT≈dM

Pr>>1,dT<dM

Pr<<1,dT>dM

典型数值空气(1atm,20°C):0.7水

(20°C):7固体壁面附近的自然对流空气中的法向温度(红)和速度(蓝)场强制对流流动受主动驱动增加传热效果Reynolds数为惯性力和粘性力之比

低Reynolds数:层流高Reynolds数:湍流层流动量边界层厚度

强制对流冷却的围绕热沉的流线和温度场自然对流浮力驱动Rayleigh数表征传热的机制

低Rayleigh数:传导为主高Rayleigh数:对流为主(层流或湍流)层流时的热边界层厚度真空保温瓶周围自然对流引起的温度场(左)和速度场(右)一些有用的特征数名称标签表达式意义Reynold数Re惯性力和粘性力的比值Re>2000意味着取决于强制对流的湍流Prandtl

数Pr粘性和热扩散的比值低Pr–扩散(传导)传热为主导高Pr–对流传热为主导Grashof数Gr

浮力和粘性力的比值Gr>108

为湍流Rayleigh数Ra低Ra–传导为主高Ra–对流为主超高Ra(>109)–自然对流引起的湍流查看APP库中的buoyancyflowinwaterpdf文档量化

自然对流

vs强制对流在混合对流mixedconvection案例中

(自然和强制对流同时存在)人们常想知道究竟有多少对流是取决于外部约束，比如泵中的流速，以及有多少自然对流发生在系统中。Gr和Re的平方可以为我们提供信息。

自然对流混合对流强制对流接口选择共轭传热=湍流NITF多物理场特征描述了湍流传热在SPF接口中进行湍流的设定壁条件取决于SPF模型

网格策略缺省网格会自动定义边界层网格自动增加壁面附近大梯度的解析度强耦合强&非常强耦合Moderate耦合-适用于较缓和的流体属性变化,强制对流-内存较少

-对初始条件较不敏感Intensive耦合

-适用于大的流体属性变化，自然对流-杰出的收敛性

自动求解器设置，在有些情况下是最佳选择，但是有时需要手动配置弱耦合热沉模型热沉之下为发热的芯片，产生1W的热源固体部分为传导传热(芯片和热沉)芯片和热沉之间有热阻层

(导热硅脂)通道中为强制对流空气流多孔介质中传热对于所有相采用平均温度表征地热流体静止热量的分散取决于多孔介质中的弯曲路径体平均材料属性多孔介质中的NITF多孔介质中由浮力产生自然对流的速度场(左)和温度场(右)局部热非平衡每一相使用一个传热接口(流体，固体)局部热非平衡多物理场特征将这两个接口联系起来定义了两相间的热通量来描述它们之间的温差多孔介质中传热vsLTNE什么时候需要局部热非平衡?流体和固体部分条件不一致流入冷/热流体在其中一相中具有较大热源在空隙尺度具有较大的热阻,小Sparrow数Tave