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使用Flotherm仿真中物理学原理3_辐射

flotherm

3 辐射
3.1 斯蒂芬-玻尔兹曼定律
 
我们在2.1章节中所做的平板温度计算还不是完全正确,因为当时没有考虑辐射散热的影响。按照J.Stefan 和L.Boltzmann定律,平板和环境的换热量为:
 
其中 为辐射面积, 为表面辐射率( ), 是斯蒂芬-玻尔兹曼常数( )并且 为以 为单位的温度。Flotherm中对辐射采用了“漫灰”假设,也就是说辐射率与波长和方向无关。
实例:自然对流情况下估计10W热功耗的欧洲标准板子通过辐射方式进入到空气中的热量。
总的热流不是10W,这是因为对辐射的修正也仅仅是一种近似。我们可以看到对于典型电子散热领域的自然对流板子,通过自然对流散失的热量只有散失总热量的一半,其余都通过辐射方式散失。
3.2 辐射率数据
普朗特定律揭示了黑体辐射光谱的变化规律。尽管现实中的物体与黑体总有差异存在,但普朗特定律对于证实最大辐射力波长是一个很好的指导。对于典型的电子器件领域最大辐射力波长大约为8 的红外波。太阳的最大发射率光谱大约在0.4-0.5 (400-500nm)。
左图:对于温度80℃时候的黑体普朗特定律曲线, 右图:真实物体的发射力
真实物体的发射力总是低于普朗特曲线。如果采用缩小比例的普朗特曲线( )去拟合真实物体的发射力,这个 称为表面发射率。单色发射率不随波长变化的物体称为灰体。前述提及的拟合可以分为两个光谱区域,红外区域和可见光区域。

注意:对Flotherm材料库中的抛光铜和铝不要使用表面发射率。工业表面很少抛光,但也很少进行阳极氧化。特别是对于铜而言,其氧化层的厚度往往确定了其发射率。铜上附有8 的氧化层可以将发射率提高到0.8,而且这几乎是线性增加的(也就是说4 时候 )。

表格:罗列了表面特性(来自Flotherm3.2 手册)

 

Name Emissivity (Infrared) Area Factor Color Shininess/Brightness
Aluminum Paint 3.5e-01 1.0 Light grey 0.50/0.50
Alum. Paint and Lacquer 5.25e-01 1.0 Light Grey 0.10/0.50
Asbestos 1.0e-01 1.0 Dark Grey 0.0/0.0
Bright Shellac 8.2e-01 1.0 Rose madder 1.0/1.0
Cast Machine Cut Iron 4.4e-01 1.0 Flesh 0.5/0.5
Cast Polished Iron 2.1e-01 1.0 Flesh 1.00/0.5
Ceramic 9.0e-01 1.0 Light Grey 0.0/00
Commercial Aluminum 9.0e-02 1.0 Light Grey 0.5/0.5
Dull Shellac 9.0e-01 1.0 Rose madder 0.0/0.0
Emeried iron 2.42e-01 1.0 Vermillion 0.5/0.5
Enamels and Lacquer 8.0e-01 1.0 Medium Grey 0.10/0.10
Enamels and Lacquer 8.0e-01 1.0 Medium Grey 0.10/0.10
Ground Bright Iron 2.42e-01 1.0 Flesh 1.0/0.5
Hard Rubber 9.5e-01 1.0 Black 0.5/0.0
Infrared Opaque Plastic 9.5e-01 1.0 Dark Grey 0.0/0.0
Lightly Tarnished Copper 3.7e-02 1.0 Chrome Green 0.0/0.50
Mild Steel 2.0e-01 1.0 Lavender 0.5/0.5
Non-Metallic Paint 9.0e-01 1.0 Purple 0.2/0.2
Oxidized Nickel 4.1e-01 1.0 Light Grey 0.0/0.0
Oxidized Sheet Steel 8.0e-01 1.0 violet 0.0/0.0
Polished Brass 2.8e-02 1.0 Greeny-yellow 1.0/0.5
Polished Copper 4.0e-02 1.0 Greeny-yellow 1.0/0.5
Polished Gold 1.0e-02 1.0 Greeny-yellow 0.94/0.5
Polished Nickel 4.5e-02 1.0 Light Grey 1.0/1.0
Polished Plate Aluminum 3.8e-02 1.0 Light Grey 1.0/0.5
Polished Plate Platinum 5.4e-02 1.0 Light Grey 0.5/0.5
Polished Sheet Steel 8.0e-02 1.0 Violet 1.0/1.0
Polished Silver 2.2e-02 1.0 Silver Grey 1.0/1.0
Red Lead Primer 9.3e-01 1.0 Bright red 0.5/0.5
Rough Plate Aluminum 6.0e-02 1.0 Light Grey 0.0/0.5
Rusted 6.5e-01 1.0 Bright Red 0.0/0.0
Soft Rubber 8.6e-01 1.0 Bright Yellow 0.5/0.0
Typical Oil Paint 9.2e-01 1.0 Dark Grey 0.0/0.0
Unpolished Gold 4.7e-01 1.0 Bright Yellow 0.0/0.5


3.3 物体辐射
3.3.1 物体和遮挡物体

重要:通过辐射方式散失热量的物体(块、散热器、机箱)必须有一个辐射特性。否则这个物体就无法和环境或其它物体进行辐射换热。如果一个非辐射物体被一个外部辐射物体照射,则这个非辐射物体起到的作用是反射。

Single radiation时遮挡情况的典型例子:考虑优先级
3.3.2 打孔板和阻尼辐射

1. 斜板有对辐射透明的选项。然而对于压缩斜板总是对辐射透明的。
2. 打孔板对于辐射也是透明的。不能采用辐射特性。(因为打孔板只是一个自动计算阻力系数的简化平面元件)
3. 体积阻尼可以选择完全的阻挡辐射或透明。然而阻挡辐射的话不会加热阻尼,而是进行反射。简化的散热器(Compact heat)产生了一个体积阻尼,它对于辐射是透明的,所以不能阻挡辐射。

3.3.3 辐射和绝热面
注意:某些Warning和手册指导可能是错误的。如果在某个方向的上下两个面上是绝热的,在两个面垂直方向辐射热交换还是存在的。似乎感觉这个辐射热交换给限制了。

3.4 耦合热交换
在某些时候三种传热方式会同时发生。我们称之为“耦合热交换”。现在我们对一块处于自然对流的欧洲标准平板进行最大温度的仿真。环境温度为35℃,发射率 ,我们可以得到如下的数据。自然对流和辐射散失的热量几乎相等。

在自然对流考虑辐射、环境温度 的情况下平板的温度曲线。这个例子对于热功耗10W的欧洲标准板子有效。上图中的放大图可以用于计算具体的热流 。

P45-P52

Flotherm资料下载: 使用Flotherm进行电子散热仿真过程中涉及的物理学原理.pdf

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