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随着电子技术向着小型化、高功率密度方向快速的提升，电子设备产生的热量飞速增加，使得高效散热技术成为确保其可靠性和寿命的关键前提。热管理的核心目标是在设备体积最小化的同时，将电子元件温度维持在其安全阈值以下。
封闭空间内的传热与流体流动现象是电子散热研究的经典课题，对此的深入理解不仅直接应用于电子设备冷却，也对太阳能集热器、建筑环境控制等领域具备极其重大意义。早期的研究多集中于二维模型，例如Chu等人开创性地研究了二维封闭空间内的热源冷却。随后，研究逐渐转向更接近实际的三维模型，并开始考虑多种传热模式的耦合效应。Yu和Joshi的工作表明，在三维通风封闭空间中，辐射传热在低瑞利数下作用显著，甚至有可能削弱自然对流。其他学者探讨了使用针肋或翅片散热器等增强冷却效果的方法，发现其在封闭环境中的性能与在自由空间中差异很大，且受空腔方向影响显著。
大量研究表明，表面辐射在封闭空间的整体传热中扮演着不可忽视的角色。它可以在一定程度上促进空腔内温度场的均匀化，明显提升总传热速率，并且其贡献大小受到表面发射率、空腔纵横比等多种参数的影响。此外，纳米流体的应用、空腔倾斜角度、内部障碍物、磁场以及非均匀加热等复杂因素，也相继被研究，以探索它们对流动结构和传热性能的复杂影响。
然而，该领域仍存在一些研究空白。多数现有研究局限于二维模型，并且通常对边界条件进行了简化，例如假设封闭空间壁面恒温或绝热，冷却壁面也常设为恒定温度。这些简化可能没办法真实反映实际电子设备封装中复杂的三维几何结构、通过设备外壳的导热、外部环境与外壳的自然对流换热以及内部表面之间的辐射热交换等综合效应。
本文针对电子设备散热问题，对安装于封闭空间内、由矩形翅片散热器冷却的离散电子芯片（热源）进行了三维数值与实验相结合的综合研究。研究旨在深入分析封闭空间内复杂的耦合传热过程，包括自然对流、通过各壁面的导热以及内部表面间的辐射换热，并重点探究关键参数对芯片冷却性能的影响。
研究建立了一个完整的三维数学模型，控制方程涵盖了质量、动量和能量守恒。模型独特之处在于同时考虑了封闭空间内部表面的辐射交换、通过所有固体壁（包括外壳和散热器）的导热、以及外壳外表面与周围环境的自然对流。数值求解采用有限差分法，并在MATLAB中编程实现。为验证数值模型的准确性，研究还搭建了相应的实验装置，通过对比芯片温度的瞬态和稳态数据，证实了在考虑辐射效应后，数值结果与实验测量值吻合良好，最大误差仅为1.9%，而忽略辐射则会导致高达20%的误差，凸显了辐射在热分析中的关键作用。
研究系统性地分析了两个关键参数的影响：芯片功率和封闭空间的纵横比（AR，高度与长度之比）。研究结果表明：
1.芯片功率的影响：芯片温度随其功率的增加而升高。忽略辐射影响会显著高估芯片温度（例如在5 kW/m²热通量下，芯片温度被高估约20%）。此外，辐射传热的贡献随着芯片功率的增加而增大，其对总努塞尔数的贡献在1.25 kW/m²和5 kW/m²时分别达到17.8%和19.7%。
2.纵横比（AR）的影响：存在一个最优纵横比（AR=1.25）使得芯片温度最低。当AR小于1.25时，增加空间高度有利于增强内部对流和辐射传热（正效应），主导了温度下降；当AR超过1.25后，芯片与散热器之间距离增大导致的导热和辐射热阻增加（负效应）开始占主导，致使芯片温度回升。研究还发现，增大纵横比会减少封闭空间内的空气涡流，改变流场结构。
图1展示了研究的核心三维结构：一个封闭空间（enclosure）内安装有一个电子芯片（heat source），其对面是一个矩形翅片散热器（heat sink）。图中标明了各部件的位置关系，包括芯片的位置、散热器的安装方法以及封闭空间的几何尺寸。该图是后续数值模拟和实验研究的基础，清晰地定义了计算域和物理边界条件，为理解热传递路径（传导、对流、辐射）提供了直观依据。
图2通过截面视图展示了封闭空间内部的细节结构，特别是芯片与散热器之间的相对位置、散热器基板与翅片的连接方式，以及封闭空间壁面的厚度。图中还标出了不同表面的编号（如表面I至VIII），这些编号在后续边界条件设定中用于区分不同表面的热传递方式。该图有助于读者理解三维结构在某一截面上的温度分布和流动特征。
图4展示了用于验证数值模型的实验装置实物照片。图中可见封闭空间、散热器、风扇、温度测量设备（如热电偶）等核心部件。实验装置的设计与图1所示的物理模型一致，确保了数值模拟与实验条件的一致性。该图的存在增强了研究的可信度，表明数值模型得到了实际实验数据的支持。
图5以示意图形式详细标明了实验系统中各组件的名称和连接方式，包括电源、稳压器、加热元件、温度记录仪、风扇、风道等。图中还标出了热电偶的布置位置和气流方向。该图是对图4的补充，帮助读者理解实验系统的整体布局和数据采集方式，为后续数值模型的验证提供了实验依据。
图3展示了数值求解过程的流程图，包括初始化、边界条件设定、速度与压力求解、温度计算、收敛性判断等关键步骤。图中体现了有限差分法与MAC（Marker and Cell）方法的结合使用，强调了质量守恒与能量守恒的迭代求解过程。该图说明了数值模拟的严谨性和复杂性，是理解本文数值方法的重要依据。
图6比较了在不同网格数量下芯片温升随时间的变动情况。结果显示，随着网格数量的增加，数值解逐渐趋于稳定，最终选定 125×125×65125×125×65 的网格数作为计算标准。该图体现了网格独立性检验的过程，确保了数值结果的准确性与可靠性。
图7对比了实验测量与数值模拟中芯片中心温度随时间的变化，分别考虑了是否包含辐射效应的情况。结果显示，考虑辐射效应的数值结果与实验数据吻合良好，最大误差仅为1.9%；而忽略辐射效应的模型误差高达20%。该图验证了数值模型的准确性，并强调了辐射传热在封闭空间中的重要性。
图8展示了在考虑与忽略辐射效应的情况下，芯片表面沿两条不同路径的稳态温升分布。实验数据与考虑辐射的数值结果趋势一致，进一步证明了辐射效应对芯片温度分布的显著影响。该图还显示，忽略辐射会导致芯片温度被高估约22%。
图8: 稳态等温线展示了芯片最大表面温升随芯片功率的变动情况，比较了是否考虑辐射效应的差异。根据结果得出，随着功率增加，芯片温度显著上升，且忽略辐射效应会促进加剧温升。例如，功率增加4倍时，忽略辐射的温升比考虑辐射高出约15°C。
图10展示了在不同芯片功率下封闭空间内的稳态等温线分布。随着功率增加，高温区域扩大，等温线更加密集，表明热梯度增强。图中还显示了散热器附近温度较低，说明其有效带走了热量。
图11展示了不一样的功率下封闭空间内的空气流动速度矢量。随着功率增加，浮力驱动的自然对流增强，流速增大，涡旋结构更明显。图中还显示了气流在散热器附近的加速现象，说明其对流换热的增强作用。
图12展示了芯片表面总努塞尔数和辐射努塞尔数的分布情况。结果显示，辐射传热在总传热中占比约19.7%，进一步证实了其在封闭空间散热中的不可忽视性。
图13展示了在不同封闭空间纵横比下，芯片温升随时间的变化趋势。结果显示，纵横比为1.25时芯片温度最低，说明存在一个最优几何结构以最大化散热效果。
图14展示了在不同纵横比下封闭空间内的稳态等温线分布。随着纵横比增大，高温区域逐渐上移，热分层现象越来越明显。图中还显示，纵横比为1.25时温度分布最为均匀，散热效果最佳。
图15展示了不同纵横比下封闭空间内的空气流动速度矢量。随着纵横比增大，涡旋结构逐渐减弱，流动更加有序，有利于热量传递。图中还显示了气流在散热器附近的集中现象，说明其对流换热的增强作用。
图16展示了不同纵横比下芯片表面的平均总努塞尔数和辐射努塞尔数。结果显示，纵横比为1.25时两者均达到最大值，说明该结构下传热效果最优。纵横比继续增大后，努塞尔数开始下降，表明存在一个最优几何比例。
本研究针对高功率密度电子设备的热管理难题，开展了一项结合三维数值模拟与实验验证的创新性研究，重点探究了在自然对流条件下，封闭空间内电子芯片的复合传热机理。研究旨在揭示导热、对流与辐射三种传热模式在真实设备封装环境下的相互作用，并量化关键运行与几何参数对整体散热性能的影响，为工程优化提供精确依据。
为实现这一目标，本研究构建了一个高度集成化的三维物理与数学模型。该模型的核心创新在于完整耦合了多个物理过程：封闭空间内空气的自然对流、芯片与散热器之间通过固体壁的导热、外壳内所有表面间的长波辐射交换、以及外壳外壁与周围环境的外部自然对流。控制方程组采用有限差分法进行离散求解。为验证数值模型的可靠性，研究设计了精密的实验系统来进行对比，根据结果得出在计入辐射效应后，数值解与实验数据高度吻合，最大误差仅为1.9%，充分证明了模型的准确性，同时也暴露出忽略辐射将导致芯片温度被严重高估约22%。基于此验证模型，研究系统分析了芯片功率与封闭空间纵横比的影响规律，并获得两项关键发现：首先，辐射换热在总散热量中占据显著比例（在5 kW/m²热通量下贡献约19.7%），且其重要性随芯片功率提升而增强，是不可忽略的散热途径。其次，存在一个最优的封闭空间纵横比（AR=1.25），能使得芯片温度最低。这源于两种竞争效应的平衡：增大纵横比一方面增强了空间内部流体循环与辐射视角系数（正效应），另一方面也增大了热源与散热器间的传导与直接辐射热阻（负效应）。在AR=1.25时，正效应达到峰值。
3D study of convection-radiation heat transfer of electronic chip inside enclosure cooled by heat sink.pdf
