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摘要：本文應用Flomerics公司的Flotherm電子設備熱設計仿真軟件來研究風扇出風口與散熱器間的距離對模塊散熱的影響，通過監測散熱器齒片間流場的均勻度及關鍵功率器件處散熱器表面的溫升，合理控制熱設計冗余，來確定出風扇出風口與散熱器間的最佳距離，為電源產品的結構設計提供可行的解決方案。

關鍵詞：風扇散熱器最佳距離流場

1．前言

隨著電源技術的不斷進步，電源類產品功率密度不斷地提高，電源類產品體積也大大縮小了。產品體積不斷的縮小，要求產品結構必須緊湊，而熱設計又制約著結構設計，在滿足熱設計要求的前提下，通過合理、正確地空間布局，最大限度的壓縮電源產品的空間以提高模塊的功率密度恰好是熱設計優化的主要任務。

在強迫吹風冷卻情形下，由于風扇旋渦swirl存在，散熱器與風扇間的距離對其流場均勻度影響較大，理論上，當散熱器與風扇間的距離的距離足夠大時，風扇旋渦 swirl 對流場的影響較小，然而在產品設計中，由于體積的限制，不可能允許散熱器與風扇間的距離太大，換句話說，風扇旋渦swirl對散熱的影響是一定存在的，本文利用FLOTHERM熱仿真分析軟件，通過合理控制熱設計冗余，力求得出一個較合理的風扇與散熱器的距離，為電源產品的結構設計提供借鑒。

2．仿真分析模型

下圖為吹風冷卻時風扇出風口與散熱器間距離對模塊散熱影響研究的仿真分析模型。

在該模型中，冷卻空氣入口溫度，也即是模塊工作的環境溫度為40C。系統采用三個外形直徑為150.0mm，HUB直徑為75.0mm軸流風扇作為該模塊的冷卻風扇，在改變風扇與散熱器間的距離時，僅僅延伸求解域的大小，不改變該模型中散熱器的結構尺寸、功率元器件的大小、布置位置以及散熱器部分的網格劃分，力圖使不同模型間的維一差異為風扇與散熱器間的距離。同時，為了能夠很好地反映風扇與散熱器間距離對模塊散熱性能的影響，在模塊前沿定義了4個溫度監控點，用這些監控點來顯示功率器件與散熱器接觸面的中間點溫度。模塊散熱性能的優劣，不僅可以通過冷卻風扇工作點的相關信息（流體的質量或體積流量、系統阻力或風扇工作壓力）來表現，而且還可以通過監控點的溫度變化值、求解域空間的流場均勻程度等得到直觀地體現。

3. 仿真分析結果

3.1. 風扇工作點及溫度監控點

  由圖2可以看出，在該模塊中，流經冷卻風扇流體的體積流量隨著風扇與散熱器間距離的增大而增大，并且該體積流量的增大在Distance為25.0mm~75.0mm之間尤為顯著，也即是說：此時冷卻風扇的流量對該距離非常敏感，把該距離稍微增大一點，流體流經風扇的體積流量就有相當顯著的變化。同時，當Distance的取值為75.0mm~175.0mm之間時，雖然從總體上而言風扇的體積流量也隨距離的增大而增加，但其增大的幅度較前一階段有明顯的下降，也即是說：此時風扇流量處于對該距離的不太敏感區域。上述的結論，我們也可以從冷卻風扇工作點的壓力值與距離之間的關系圖（圖2）及各個溫度監控點隨距離的變化關系曲線（如圖3、4、5、6等）上可以得到進一步的證明。

在圖3、4、5、6中，需要說明一點的是：溫度監控點1和2反映出了上述的分析，即：隨距離的增大，流經冷卻風扇的風量得到加強，散熱器的換熱得到強化，其上功率元器件的殼溫得到一定程度的下降。但是，仔細觀察監控點3、4（見圖5、6），我們似乎不能夠根據上述的分析，得到一個合理的解釋。

難道監控點3、4（圖5、6）隨距離的變化關系曲線正是說明了上述分析的一個缺陷？答案是否定的。事實上，溫度監控點3、4有如此的變換關系，從某種程度上說，正是體現了在該散熱器空間，流場均勻程度隨風扇與散熱器間距離的這種變化關系。進一步的分析，我們可以通過觀察、分析風扇中截面的速度分布圖，來得到合理的解釋。

3.2. 模塊內流場的均勻程度

如圖7、8、9、10、11、12、13，它們分別是在不同距離的前提下，風扇的中截面速度分布圖。由于在建模過程中，考慮到這是風扇吹風冷卻，風扇swirl對流場的影響較大，因此在模型中打開風扇的swirl參數設置。

從下列的速度分布圖中可以看出：在吹風條件下，風扇swirl對流場的影響是非常顯著的，并且其流場的均勻程度隨風扇距散熱器間的距離有較為顯著的變化。相比較而言，在風扇距散熱器間的距離為25.0~75.0mm間，流場均勻程度與該距離的相關度較該距離為75.0~175.0mm時大。隨著距離進一步的增大，散熱器齒間和散熱器入口的流場都變得更加的均勻，散熱器的效率得到進一步的提高。當該距離達到或超過冷卻風扇的一個外形直徑時，從圖12、圖13中可以看出，在全域上可以認為流場的分布已經達到幾乎理想的狀態。

4．結論

在實際應用中，受到產品本身結構布置、外形尺寸等相關因素的限制，冷卻風扇與散熱器間的距離不可能得到任意滿足。那么，如何合理、經濟地確定風扇與散熱器間距離的大小，如何平衡諸多因素間的矛盾呢？我們必須從引起該結果差異的原因中進行分析，找出一個折衷的方法來較為合理、經濟地確定該距離的大小。

仔細分析造成流場不均勻的原因，其關鍵的因素就是：一方面，由于實際風扇中HUB的存在，使冷卻風從風扇環形的截面吹出，從而在風扇HUB的下游區域形成不均勻地流場分布；另一方面，軸流風扇的工作原理迫使流經該風扇出口截面的流體，呈旋轉狀態流向下游。實際上，在保證流體流出風扇后一定距離的情況下，這種旋轉效果是能夠促進流體間的混合，從而形成一個比較均勻的流場分布，如圖12與圖13所示。結合圖7~圖13風扇中截面速度分布圖與溫度監控點隨距離的變化關系曲線（圖3~圖6），我們可以看出，當風扇距散熱器為一個風扇的HUB直徑時，由于HUB存在而導致的不均勻流場可以得到較大程度上的改善，雖然流場分布還是存在一定程度上的不均勻，但是表現在散熱器上功率元器件的殼溫，卻沒有顯著的變化，從而形成這一漸近的變化趨勢曲線。由此我們可以得出以下結論：

1、風扇強迫吹風冷卻時，在冷卻風扇出口下游處，造成流場不均勻的主要因素主要是風扇HUB的存在，其次才是流體流經軸流風扇后的旋轉效應。

2、該結構設計上，為了能夠獲得散熱器的最大散熱能力，我們必須要保證冷卻風扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個風扇HUB的直徑。但是，一旦該距離超過一個風扇的外形直徑后，對下游流場均勻程度的貢獻已經微乎其為，可以不用考慮該因素造成影響散熱器散熱能力這一因素。

3、如果在結構設計上，無法保證冷卻風扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個風扇HUB的直徑，則必須要求在風扇與散熱器間安裝整流柵。