熱設(shè)計的基本原理和分析方法綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u16197熱設(shè)計的基本原理和分析方法綜述 1192251熱設(shè)計的基本原理和分析方法 1297922熱分析方法 31熱設(shè)計的基本原理和分析方法熱分析的理論依據(jù)是流體力學(xué)和傳熱學(xué)，熱的交換方式有三種：(1)熱傳導(dǎo)：兩個溫度不同的物體直接接觸，或者一個物體的不同部分，出現(xiàn)了溫差，通過物體內(nèi)部的微小粒子的微觀運動發(fā)生能量傳遞的現(xiàn)象。根據(jù)傅立葉定律： （1-1）表1公式符號釋義：符號內(nèi)容單位Q熱流量，即單位時間內(nèi)通過某個給定面積的熱量Wk導(dǎo)熱系數(shù)W/mKA導(dǎo)熱方向的橫截面積m2L傳導(dǎo)路徑的長度m?T材料兩端溫差Kx熱流路徑m而將通過的熱流量除以面積得到熱流密度，記為q，單位為W/m2，表達式為： （1-2）一般情況下，材料不同，導(dǎo)熱系數(shù)不同，k值越大，導(dǎo)熱性能越好。在通常熱分析中，最簡單的情況是所研究的點所有方向上的k值都是一樣的，這種情況適用于大多數(shù)的液體和固體[14]。熱對流：熱對流是指流體的內(nèi)各點發(fā)生了相對位移而產(chǎn)生熱量交換的過程。此外，當流體存在溫差時，也不可避免地會發(fā)生熱傳導(dǎo)，因此熱對流也涉及熱傳導(dǎo)。這種現(xiàn)象稱為對流傳熱。只有氣液兩相才有對流，而且一般是固體邊界與流體發(fā)生對流換熱。強制對流和自然對流是熱對流根據(jù)流動的原因劃分的兩種形式。強制對流是流體因外力產(chǎn)生不同壓力而引起的流動。自然對流是流體內(nèi)部密度差異引起的流動。由牛頓冷卻公式得，對流計算中的熱量與物體的幾何尺寸、溫差和其他因素有關(guān)。 （1-3）表2公式符號釋義：符號內(nèi)容單位Qc對流交換的熱量WA與流體接觸的物體的表面積m2h表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/m2K?T物體表面與流體的溫差K目前大部分PCB的設(shè)計都采用自然對流換熱。（3）熱輻射：能量通過電磁波進行傳播的現(xiàn)象，當物體的溫度升高時，物體的原子被激發(fā)和振動，產(chǎn)生電磁輻射。依據(jù)熱輻射定律： （1-4）表3公式符號釋義：符號內(nèi)容單位Qr輻射放出的熱量WA參與輻射的面積m2ε物體表面的輻射率，大小和物體溫度，材料等有關(guān)σ斯蒂藩-玻爾茲曼常量，值為5.763e-12W/m2KTs物體表面溫度KTA周圍環(huán)境溫度K這三種傳熱方法在研究設(shè)備冷卻時都可采用，但通常以其中一種方法為主。熱分析的基礎(chǔ)是計算傳熱。熱分析根據(jù)實際建立模型，計算和測量熱參數(shù)。熱分析可以給熱設(shè)計提供很好的數(shù)據(jù)和保障。電路板熱分析討論元件的配置布局排列方式對散熱影響，大功率元件排列位置對散熱的影響等等。我們在設(shè)計電路板之前一定要對其進行熱分析，在分析過程中，我們可以得到溫度，速度等關(guān)鍵參數(shù)，并可以用圖像表示出，甚至擬合成曲線圖。分析結(jié)果可以快速確定印刷電路板的熱問題并找出問題的根本原因，從而可以采取措施消除印刷電路板的高熱量集中區(qū)域。優(yōu)化電路板芯片排列方式，改善元件布局散熱，使用最合理的元器件配置，合理安排器件布局等等，從而得到最優(yōu)的散熱效果。2熱分析方法熱分析方法有三種：解析法，模擬法和數(shù)值法。（1）解析法。此方法從解決數(shù)學(xué)問題出發(fā)，求出溫度分布函數(shù)的解。這種方法利用傳熱學(xué)公式和知識就可以解決大多數(shù)問題，所得到的解也非常精準，過程也比較容易和簡單，但是所能解決的問題非常有限，只能處理基本問題，面對復(fù)雜情況下的換熱問題往往束手無策。（2）模擬法。如今的工程師非常喜歡用此方法進行熱設(shè)計和分析，此方法思路巧妙，將所有熱阻模擬為一個電阻網(wǎng)絡(luò)，熱變電，用電路問題來解決熱問題，因此也成為電阻加熱法，適用于各種各樣的傳熱問題，操作簡單可行，但不是很準確，經(jīng)常是粗略估計。（3）數(shù)值計算法。常用的數(shù)值解法包括有限差分法、有限體積法和有限元法。使用COMSOLMultiphysics基于有限元方法將計算區(qū)域劃分為有限數(shù)量的不重疊單元，在各個單元中的一些節(jié)點上，把各變量取代方程變量，求解，并使用基函數(shù)的線性組合逼近