[科普中國]-場分布

場分布在沿著界面方向是高度局域的，是一個消逝波，且在金屬中場分布比在介質(zhì)中分布更集中，一般分布深度與波長量級相同。

場分布特性

1、在平行于表面的方向，場是可以傳播的，但是由于金屬的損耗存在，所以在傳播的過程中會有衰減存在，傳播距離有限。

2、表面等離子體波的色散曲線處在光纖的右側(cè)，在相同頻率的情況下，其波矢量比光波矢量要大。

固定床反應(yīng)器床層反應(yīng)過程與場分布數(shù)值模擬以甲烷化固定床反應(yīng)器床層為研究對象，使用CFD軟件編寫CEL語言，將甲烷化反應(yīng)以源項的形式添加到模擬過程中，對比多孔介質(zhì)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(jié)果表明：與填充球床模型比較，由于多孔介質(zhì)模型簡化了內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，使用其對固定床反應(yīng)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(yīng)使近壁面處10%的圓環(huán)面積上通過20%的質(zhì)量流量，進而顯著影響床層內(nèi)部場的分布；床層內(nèi)部軸向溫升顯著，從250℃升高到685℃，同時徑向溫度分布不均，變化范圍在20～40℃內(nèi)波動。1

壁效應(yīng)造成的流場分布不均勻使用多孔介質(zhì)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?1。這就表明，由于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(huán)形區(qū)域，通過CFD后處理軟件求得通過此區(qū)域的質(zhì)量流率為總質(zhì)量流率的22%，而該環(huán)隙的面積只占總面積的10%。1

床層橫向流動對比填充球床與多孔介質(zhì)床在橫向流動方面有較大的差異：多孔介質(zhì)的橫向平均速度為0.04m·s?1，橫向速度最大與最小值差距僅為0.49m·s?1；填充球模型的橫向平均速度為3.5m·s?1，橫向速度最大與最小值差距為14.57m·s?1。顯然填充球床的橫向?qū)α髅黠@比多孔介質(zhì)床層的橫向?qū)α鲝娏?，這對于傳熱、傳質(zhì)以及化學反應(yīng)都是有利的。多孔介質(zhì)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。1

兩種模型的有效性驗證利用CFD-Post后處理軟件獲得了出口處的溫度值，通過與現(xiàn)場得到的出口實測數(shù)據(jù)對比來驗證模型的有效性。多孔介質(zhì)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(jié)果則與實測值較為接近。1

填充球床床層溫度場分布催化反應(yīng)床層內(nèi)部溫度作為衡量反應(yīng)進度以及判斷催化劑是否失活的重要參數(shù)是生產(chǎn)過程中必須實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)，所以重點對溫度場分布進行分析討論。由于在模擬過程中添加了熱量源項，熱量的產(chǎn)生與甲烷的產(chǎn)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。1

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(nèi)溫升特別明顯（上升了約300℃），說明在這一段反應(yīng)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(jīng)充分混合，反應(yīng)速率主要受反應(yīng)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(xiàn)出“兩邊低，中間高的分布。壁面與中心處溫差在20～40℃范圍內(nèi)波動。這主要是由于壁效應(yīng)導(dǎo)致近壁面處流速增大，反應(yīng)物反應(yīng)時間短，大部分熱量被帶走，進而導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)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。1

IGBT結(jié)溫及溫度場分布探測絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）采用傳統(tǒng)的集總參數(shù)熱路法只能得到一個平均結(jié)溫，不能獲得芯片表面的溫度場分布，因此有必要開展結(jié)溫探測及溫度場分布研究。先在數(shù)值仿真軟件ANSYS熱仿真分析環(huán)境里采用有限單元法（FEM）得到模塊溫度場分布，利用紅外熱成像儀探測IGBT模塊芯片表面結(jié)溫，獲得了結(jié)溫瞬態(tài)溫度場分布，分析了結(jié)溫溫升及溫度場分布特征，可知高溫區(qū)域出現(xiàn)于芯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(jié)溫溫升和芯片表面溫度分布及散熱設(shè)計具有較高的指導(dǎo)價值。2

結(jié)溫及溫度場分布數(shù)值仿真計算針對GD50HFL120C1S型IGBT模塊，采用有限元數(shù)值仿真軟件ANSYS對溫度場分布進行了數(shù)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(shè)。2

基于上述幾何模型假設(shè)，將在SolidWorks里做好的IGBT模塊的三維結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)入ANSYSWorkbench熱仿真環(huán)境，利用基于網(wǎng)格劃分的FEM進行溫度場熱仿真分析。將仿真環(huán)境邊界條件設(shè)置為：環(huán)境溫度為22 ℃，基板溫度為40.6℃，加熱電流為50A。仿真得到的模塊芯片表面的溫度場分布，高溫區(qū)域為IGBT模塊芯片。可知，最高結(jié)溫穩(wěn)態(tài)值為64.6℃，高溫區(qū)域集中在芯片層，且中心溫度高于邊緣溫度，溫度由中心向邊緣逐步降低，這是因為在仿真條件設(shè)置時是基于理想假設(shè)條件，即將芯片層表面視為一個內(nèi)熱源，且忽略了鋁絲鍵合引線和芯片間的耦合作用。

功率電子器件工作在開關(guān)模式時，其峰值結(jié)溫與平均結(jié)溫有一定的差別，在電流脈沖的持續(xù)時間較長，占空比也較高的情況下，峰值結(jié)溫可能會非常接近平均結(jié)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。2

結(jié)溫及溫度場分布探測實驗比較成熟的功率半導(dǎo)體器件溫度探測方法主要有熱傳感器法、熱敏電氣參數(shù)法和紅外熱成像探測法3種。熱電偶測溫方法由于探測速度較慢，達不到IGBT結(jié)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芯片周圍，會帶來較大的測量誤差。電參數(shù)測溫方法測試精度與速度不會很高，測得的是IGBT模塊芯片的平均結(jié)溫，因此只能對IGBT結(jié)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?？欤梢詽M足IGBT實時結(jié)溫的測量要求。

采用紅外熱成像法進行IGBT實時結(jié)溫的探測需解決兩個問題，首先是一般的商業(yè)IGBT模塊都是已封裝好的成品，有外殼封裝，同時內(nèi)部芯片表面還覆蓋有一層硅膠。實驗采用了打開封裝并且去除硅膠后的GD50HEL120C1S，額定電壓為1.2kV，額定直流連續(xù)工作電流為50A，作為該模塊的封裝。2

從實驗得到的穩(wěn)態(tài)溫度場分布測試結(jié)果來看，結(jié)溫溫度場分布高溫區(qū)域出現(xiàn)于芯片邊緣，即芯片與焊片的交界處，同時芯片與鍵合引線的連接位置即鍵合焊點處也為高溫區(qū)域，這是由于在模塊實際工作中，當通過較大電流時，所產(chǎn)生的損耗即熱量直接加載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，且引線鍵合焊點位于芯片表面的邊緣處，故芯片邊緣及鍵合焊點處熱應(yīng)力最大，溫度最高。中心鍍鋁金屬區(qū)域溫度分布較均勻，可近似認為是結(jié)溫。還有測量方面引起的誤差，即不同材料對應(yīng)的發(fā)射率差別很大。

由結(jié)溫溫度場分布探測結(jié)果可知，IGBT芯片表面溫度并不一致，但除高溫區(qū)域外其他區(qū)域溫度分布較均勻，但最高結(jié)溫是決定器件正常工作、壽命預(yù)測與可靠性評估的一個關(guān)鍵因素，在進行該類型裝置散熱設(shè)計時必須重點考慮。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學院工程熱物理研究所