电子设备外壁自然散热综合传热系数仿真研究

摘要：采用Boussinesq 假设对计算流体动力学中的自然对流传热行为进行研究，考察了电子设备外壁自然对流过程的传热特性。通过分析水平、竖直壁面和圆柱、球体曲面的自然对流过程，建立了自然对流传热系数公式。同时，研究了电子设备在工作环境下的辐射传热行为，简化了辐射传热方程，获得辐射传热系数公式。在此基础上，整合对流传热系数公式和辐射传热系数公式，获得和壁面温度相关的综合传热系数公式，该公式可以快速计算电子设备外壁与环境之间的传热量，为电子设备的热管理设计提供更为便捷和有效的研究手段。

关键词：Boussinesq；计算流体动力学；自然对流；辐射；综合传热系数

中图分类号：TB24 文献标志码：A

随着电子技术的蓬勃发展，电子设备在科研、工业及消费领域中得到了广泛的应用，研究电子设备的热管理及热可靠性的设计和分析方法越来越受到重视[1-3]。加热卷烟、电子加热设备、手机等手持式消费电子产品，需要严格控制外表面温度，以保证其使用安全和能耗控制。自然冷却是一种比较可靠的散热方式[4-5]，无噪声且经济可靠，是电子产品散热方式的首要选择。通过自然冷却设计，对电子设备提出合理的结构改进，将设备内部发热器件的热量通过最低的热阻路径传至设备的外部环境，保证设备在合理的温度范围内正常工作[6-7]。

传统的自然冷却设计方法主要有经验公式法[8-9]和理论分析法[10]。经验公式法就是基于实验数据总结出的经验公式，选用合适公式进行设计计算。该方法虽然计算简便，但受发热体的几何形状和尺寸、温度、环境等因素影响，准确性不高；理论分析法是基于流体力学、热传导理论和数学基础推导出自然对流传热系数的计算公式，再依据该公式进行设计计算。该方法虽然计算简便，但需要深厚的理论基础，且不适用于复杂或不规则结构的自然冷却计算。

仿真技术的发展有效地弥补了传统经验公式法在准确性和适用性上的一些不足之处。韦愈群等[11]通过数值仿真技术对高速永磁同步电机的温度场进行研究，有效提升了电机散热效率。康卫东等[12] 通过模拟计算分析某双间接空冷塔系统的传热特性，进一步提升间接空冷塔出口水温均匀度。对于电子设备的自然冷却设计，传统的经验公式法对复杂因素的考虑较为有限，而仿真技术支持建立更加全面的模型，考虑发热体的几何形状、温度分布、环境条件等多种因素，从而可以更全面地模拟真实的传热过程。同时，仿真技术具有更大的灵活性，可以通过调整模型参数、考虑不同工况来进行多种冷却情景的模拟，为自然冷却设计提供了更便捷的方式。

论文采用计算流体动力学（CFD）方法，通过仿真模拟的技术手段，研究手持式消费电子产品结构、尺寸、姿态和环境等因素对自然对流传热的影响，为热设计和外形设计耦合建立数据支撑。并将对流传热速率方程和辐射传热速率方程进行耦合，最终建立综合传热系数公式，为快速评估传热计算提供基础。