基本介紹
- 中文名：場分布
- 外文名：field distribution
- 特性：可傳播
固定床反應器床層反應過程與場分布數值模擬,壁效應造成的流場分布不均勻,床層橫向流動對比,兩種模型的有效性驗證,填充球床床層溫度場分布,IGBT結溫及溫度場分布探測,結溫及溫度場分布數值仿真計算,結溫及溫度場分布探測實驗,
固定床反應器床層反應過程與場分布數值模擬
以甲烷化遷腿紋固定床反應器床層為研究對象，使用CFD軟體編寫CEL語言，將甲烷化反應以凝腳射源項的形式添加到模擬過程中，對比多孔介質模型與填充球床模型模擬的準確性，選擇填充球床模型進行模擬，獲得了床層的速度場、組分濃度以及溫度場分布。研究結果表明：與填充球床模型比較，由於多孔介質模型簡化了內部的孔隙結構，使用其對固定床反應器進行模擬時存在較大誤差，其中出口溫度模擬值比實測值低13.6%；固定床的壁效應使近壁面處10%的圓環面積上通過20%的質量流量，進而顯著影響床層內部場的分布；床層內部軸向譽宙循溫升顯著，從250℃升高到685℃，同時徑向溫度分布不均，變化範圍在20～40℃內波動。
壁效應造成的流場分布不均勻
使用多孔介質模型得到的是一個在徑向上分布均勻的流場，只有在靠近壁面的地方受壁面的影響存在速度梯度。而使用填充球床模型得到的速度場在徑向上存在很大的差異。
不同高度徑向截面上速度沿徑向分布的不均勻程度。從中可以看出，速度在徑向上不斷波動，尤其在近壁面附近速度最大達到70m·s。這就表明，由於近壁面處存在較大的孔隙，大部分混合氣體從壁面附近通過。為了定量分析壁面附近的流量，在壁面附近取0。25倍的顆粒直徑寬度的環形區域，幾蜜悼拘通過CFD後處理軟體求得通過此區域的質量流率為總質量流率的22%，而該環隙姜辨榆朵的面積只占總面積的10%。
床層橫向流動對比
填充球床與多孔介質床在橫向流動方面有較大的差異：多孔介質的橫向平均速度為0.04m·s，橫向速度最大與最小值差距僅為0.49m·s；填充球模型的橫向平均速度為3.5m·s，橫向速度最大與最小值差距為14.57m·s。顯然填充球床的橫向對流明顯比多孔介質床層的橫向對流強烈，這對於傳熱、傳質以及化學反應都是有利的。多孔介質模型不能反映氣體繞過催化劑表面的流動，只能給出整體的流動趨勢。
兩種模型的有效性驗證
利用CFD-Post後處理軟體獲得了出口處的溫度值，通過與現場得到的出口實測數據對比來驗證模型的有效性。多孔介質模型出口溫度較實測值偏低，誤差較大，而填充球床模型模擬結果則與實測值較為接近。
填充球床床層溫度場分布
催化反應床層內部溫度作為衡量反應進度以及判斷催化劑是否失活的重要參數是生產過程中必須實時監控的數據，所以重點對溫度場分布進行分析討論。由於在模擬過程中添加了熱量源項，熱量的產生與甲烷的產率是呈正比的，因此兩圖的分布幾乎一樣。分別提取了不同r處軸向溫升曲線與不同高度Z處的徑向溫度分布曲線。
在軸向上，整體上混合氣溫度隨進入床層距離增加而不斷升高（從 250℃升高至685℃），在距離床層入口0.2m以內溫升特別明顯（上升了約300℃），說明在這一段反應比較劇烈。在接近出口的床層段溫升不明顯。這是因為假定在進入催化劑床層時氣體已經充分混合，反應速率主要受反應物濃度控制。離中心不同距離處的溫升曲線不同，越靠近壁面溫度越低。
在徑向上，整體上呈現出“兩邊低，中間高的分布。壁面與中心處溫差在20～40℃範圍內波動。這主要是由於壁效應導致近壁面處流速增大，反應物反應時間短，大部分熱量被帶走，進而導致反應產熱相對少，而散熱相對大的原因造成的。隨著混合氣進入床層距離的不斷增加，徑向溫度分布逐漸趨向均勻。
IGBT結溫及溫度場分布探測
絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）採用傳統的集總參數熱路法只能得到一個平均結溫，不能獲得晶片表面的溫度場分布，因此有必要開展結溫探測及溫度場分布研究。先在數值仿真軟體ANSYS熱仿真分析環境裡採用有限單元法（FEM）得到提虹模組溫度場分布，利用紅外熱成像儀探測IGBT模組晶片表面結溫，獲得了結溫瞬態溫度場分布，分析了結溫溫升及溫度場分布特徵，可知高溫區域出現於晶片邊緣及引線鍵合焊點處。以上分析對研究該類電力電子器件工作結溫溫升和晶片表面溫度分布及散熱設計具有較高的指導價值。
結溫及溫度場分布數值仿真計算
針對GD50HFL120C1S型IGBT模組，採用有限元數值仿真軟體ANSYS對溫度場分布進行了數值仿真計算。計算時首先需建立其3D幾何模型，在幾何模型中做出假設。
基於上述幾何模型假設，將在SolidWorks里做好的IGBT模組的三維結構圖導入ANSYSWorkbench熱仿真環境，利用基於凳芝屑格線劃分的FEM進行溫度場熱仿真分析。將仿真環境邊界條件設定為：環境溫度為22 ℃，基板溫度為40.6℃，加熱電流為50A。仿真得到的模組晶片表面的溫度場分布，高溫區域為IGBT模組晶片。可知，最高結溫穩態值為64.6℃，高溫區域集中在晶片層，且中心溫度高於邊緣溫度，溫度由中心向邊緣逐步降低，這是因為在仿真條件設定時是基於理想假設條件，即將晶片層表面視為一個內熱源，且忽略了鋁絲鍵合引線和晶片間的耦合作用。
功率電子器件工作在開關模式時，其峰值結溫與平均結溫有一定的差別，在電流脈衝的持續時間較長，占空比也較高的情況下，峰值結溫可能會非常接近平均結溫。上述溫度場分布是在理想條件下得到的，故存在一定程度的偏差。
結溫及溫度場分布探測實驗
比較成熟的功率半導體器件溫度探測方法主要有熱感測器法、熱敏電氣參數法和紅外熱成像探測法3種。熱電偶測溫方法由於探測速度較慢，達不到IGBT結溫實時探測的要求，且測溫時需與被測物體充分接觸，故只能把熱電偶布在晶片周圍，會帶來較大的測量誤差。電參數測溫方法測試精度與速度不會很高，測得的是IGBT模組晶片的平均結溫，因此只能對IGBT結溫進行一定的估算。紅外測溫方法作為一種非直接接觸被測物體的溫度測量手段，其精度高、探測速度非常快，可以滿足IGBT實時結溫的測量要求。
採用紅外熱成像法進行IGBT實時結溫的探測需解決兩個問題，首先是一般的商業IGBT模組都是已封裝好的成品，有外殼封裝，同時內部晶片表面還覆蓋有一層矽膠。實驗採用了打開封裝並且去除矽膠後的GD50HEL120C1S，額定電壓為1.2kV，額定直流連續工作電流為50A，作為該模組的封裝。
從實驗得到的穩態溫度場分布測試結果來看，結溫溫度場分布高溫區域出現於晶片邊緣，即晶片與焊片的交界處，同時晶片與鍵合引線的連線位置即鍵合焊點處也為高溫區域，這是由於在模組實際工作中，當通過較大電流時，所產生的損耗即熱量直接載入在鍵合引線及鍵合焊點處，而鍵合引線直徑很小，一般為微米級，且引線鍵合焊點位於晶片表面的邊緣處，故晶片邊緣及鍵合焊點處熱應力最大，溫度最高。中心鍍鋁金屬區域溫度分布較均勻，可近似認為是結溫。還有測量方面引起的誤差，即不同材料對應的發射率差別很大。
由結溫溫度場分布探測結果可知，IGBT晶片表面溫度並不一致，但除高溫區域外其他區域溫度分布較均勻，但最高結溫是決定器件正常工作、壽命預測與可靠性評估的一個關鍵因素，在進行該類型裝置散熱設計時必須重點考慮。
在徑向上，整體上呈現出“兩邊低，中間高的分布。壁面與中心處溫差在20～40℃範圍內波動。這主要是由於壁效應導致近壁面處流速增大，反應物反應時間短，大部分熱量被帶走，進而導致反應產熱相對少，而散熱相對大的原因造成的。隨著混合氣進入床層距離的不斷增加，徑向溫度分布逐漸趨向均勻。
IGBT結溫及溫度場分布探測
絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）採用傳統的集總參數熱路法只能得到一個平均結溫，不能獲得晶片表面的溫度場分布，因此有必要開展結溫探測及溫度場分布研究。先在數值仿真軟體ANSYS熱仿真分析環境裡採用有限單元法（FEM）得到模組溫度場分布，利用紅外熱成像儀探測IGBT模組晶片表面結溫，獲得了結溫瞬態溫度場分布，分析了結溫溫升及溫度場分布特徵，可知高溫區域出現於晶片邊緣及引線鍵合焊點處。以上分析對研究該類電力電子器件工作結溫溫升和晶片表面溫度分布及散熱設計具有較高的指導價值。
結溫及溫度場分布數值仿真計算
針對GD50HFL120C1S型IGBT模組，採用有限元數值仿真軟體ANSYS對溫度場分布進行了數值仿真計算。計算時首先需建立其3D幾何模型，在幾何模型中做出假設。
基於上述幾何模型假設，將在SolidWorks里做好的IGBT模組的三維結構圖導入ANSYSWorkbench熱仿真環境，利用基於格線劃分的FEM進行溫度場熱仿真分析。將仿真環境邊界條件設定為：環境溫度為22 ℃，基板溫度為40.6℃，加熱電流為50A。仿真得到的模組晶片表面的溫度場分布，高溫區域為IGBT模組晶片。可知，最高結溫穩態值為64.6℃，高溫區域集中在晶片層，且中心溫度高於邊緣溫度，溫度由中心向邊緣逐步降低，這是因為在仿真條件設定時是基於理想假設條件，即將晶片層表面視為一個內熱源，且忽略了鋁絲鍵合引線和晶片間的耦合作用。
功率電子器件工作在開關模式時，其峰值結溫與平均結溫有一定的差別，在電流脈衝的持續時間較長，占空比也較高的情況下，峰值結溫可能會非常接近平均結溫。上述溫度場分布是在理想條件下得到的，故存在一定程度的偏差。
結溫及溫度場分布探測實驗
比較成熟的功率半導體器件溫度探測方法主要有熱感測器法、熱敏電氣參數法和紅外熱成像探測法3種。熱電偶測溫方法由於探測速度較慢，達不到IGBT結溫實時探測的要求，且測溫時需與被測物體充分接觸，故只能把熱電偶布在晶片周圍，會帶來較大的測量誤差。電參數測溫方法測試精度與速度不會很高，測得的是IGBT模組晶片的平均結溫，因此只能對IGBT結溫進行一定的估算。紅外測溫方法作為一種非直接接觸被測物體的溫度測量手段，其精度高、探測速度非常快，可以滿足IGBT實時結溫的測量要求。
採用紅外熱成像法進行IGBT實時結溫的探測需解決兩個問題，首先是一般的商業IGBT模組都是已封裝好的成品，有外殼封裝，同時內部晶片表面還覆蓋有一層矽膠。實驗採用了打開封裝並且去除矽膠後的GD50HEL120C1S，額定電壓為1.2kV，額定直流連續工作電流為50A，作為該模組的封裝。
從實驗得到的穩態溫度場分布測試結果來看，結溫溫度場分布高溫區域出現於晶片邊緣，即晶片與焊片的交界處，同時晶片與鍵合引線的連線位置即鍵合焊點處也為高溫區域，這是由於在模組實際工作中，當通過較大電流時，所產生的損耗即熱量直接載入在鍵合引線及鍵合焊點處，而鍵合引線直徑很小，一般為微米級，且引線鍵合焊點位於晶片表面的邊緣處，故晶片邊緣及鍵合焊點處熱應力最大，溫度最高。中心鍍鋁金屬區域溫度分布較均勻，可近似認為是結溫。還有測量方面引起的誤差，即不同材料對應的發射率差別很大。
由結溫溫度場分布探測結果可知，IGBT晶片表面溫度並不一致，但除高溫區域外其他區域溫度分布較均勻，但最高結溫是決定器件正常工作、壽命預測與可靠性評估的一個關鍵因素，在進行該類型裝置散熱設計時必須重點考慮。
