場分佈

以甲烷化固定牀反應器牀層為研究對象，使用CFD軟件編寫CEL語言，將甲烷化反應以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牀模型模擬的準確性，選擇填充球牀模型進行模擬，獲得了牀層的速度場、組分濃度以及温度場分佈。研究結果表明：與填充球牀模型比較，由於多孔介質模型簡化了內部的孔隙結構，使用其對固定牀反應器進行模擬時存在較大誤差，其中出口温度模擬值比實測值低13.6%；固定牀的壁效應使近壁面處10%的圓環面積上通過20%的質量流量，進而顯著影響牀層內部場的分佈；牀層內部軸向温升顯著，從250℃升高到685℃，同時徑向温度分佈不均，變化範圍在20～40℃內波動。 ^[1] 

使用多孔介質模型得到的是一個在徑向上分佈均勻的流場，只有在靠近壁面的地方受壁面的影響存在速度梯度。而使用填充球牀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佈的不均勻程度。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，通過CFD後處理軟件求得通過此區域的質量流率為總質量流率的22%，而該環隙的面積只佔總面積的10%。 ^[1] 

填充球牀與多孔介質牀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⁻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。顯然填充球牀的橫向對流明顯比多孔介質牀層的橫向對流強烈，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。 ^[1] 

利用CFD-Post後處理軟件獲得了出口處的温度值，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。多孔介質模型出口温度較實測值偏低，誤差較大，而填充球牀模型模擬結果則與實測值較為接近。 ^[1] 

催化反應牀層內部温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，所以重點對温度場分佈進行分析討論。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，因此兩圖的分佈幾乎一樣。分別提取了不同r處軸向温升曲線與不同高度Z處的徑向温度分佈曲線。 ^[1] 

在軸向上，整體上混合氣温度隨進入牀層距離增加而不斷升高（從 250℃升高至685℃），在距離牀層入口0.2m以內温升特別明顯（上升了約300℃），説明在這一段反應比較劇烈。在接近出口的牀層段温升不明顯。這是因為假定在進入催化劑牀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温升曲線不同，越靠近壁面温度越低。

在徑向上，整體上呈現出“兩邊低，中間高的分佈。壁面與中心處温差在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。隨着混合氣進入牀層距離的不斷增加，徑向温度分佈逐漸趨向均勻。 ^[1] 

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）採用傳統的集總參數熱路法只能得到一個平均結温，不能獲得芯片表面的温度場分佈，因此有必要開展結温探測及温度場分佈研究。先在數值仿真軟件ANSYS熱仿真分析環境裏採用有限單元法（FEM）得到模塊温度場分佈，利用紅外熱成像儀探測IGBT模塊芯片表面結温，獲得了結温瞬態温度場分佈，分析了結温温升及温度場分佈特徵，可知高温區域出現於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温温升和芯片表面温度分佈及散熱設計具有較高的指導價值。 ^[2] 

針對GD50HFL120C1S型IGBT模塊，採用有限元數值仿真軟件ANSYS對温度場分佈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。 ^[2] 

基於上述幾何模型假設，將在SolidWorks裏做好的IGBT模塊的三維結構圖導入ANSYSWorkbench熱仿真環境，利用基於網格劃分的FEM進行温度場熱仿真分析。將仿真環境邊界條件設置為：環境温度為22 ℃，基板温度為40.6℃，加熱電流為50A。仿真得到的模塊芯片表面的温度場分佈，高温區域為IGBT模塊芯片。可知，最高結温穩態值為64.6℃，高温區域集中在芯片層，且中心温度高於邊緣温度，温度由中心向邊緣逐步降低，這是因為在仿真條件設置時是基於理想假設條件，即將芯片層表面視為一個內熱源，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模式時，其峯值結温與平均結温有一定的差別，在電流脈衝的持續時間較長，佔空比也較高的情況下，峯值結温可能會非常接近平均結温。上述温度場分佈是在理想條件下得到的，故存在一定程度的偏差。 ^[2] 

比較成熟的功率半導體器件温度探測方法主要有熱傳感器法、熱敏電氣參數法和紅外熱成像探測法3種。熱電偶測温方法由於探測速度較慢，達不到IGBT結温實時探測的要求，且測温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。電參數測温方法測試精度與速度不會很高，測得的是IGBT模塊芯片的平均結温，因此只能對IGBT結温進行一定的估算。紅外測温方法作為一種非直接接觸被測物體的温度測量手段，其精度高、探測速度非常快，可以滿足IGBT實時結温的測量要求。

採用紅外熱成像法進行IGBT實時結温的探測需解決兩個問題，首先是一般的商業IGBT模塊都是已封裝好的成品，有外殼封裝，同時內部芯片表面還覆蓋有一層硅膠。實驗採用了打開封裝並且去除硅膠後的GD50HEL120C1S，額定電壓為1.2kV，額定直流連續工作電流為50A，作為該模塊的封裝。 ^[2] 

從實驗得到的穩態温度場分佈測試結果來看，結温温度場分佈高温區域出現於芯片邊緣，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温區域，這是由於在模塊實際工作中，當通過較大電流時，所產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，且引線鍵合焊點位於芯片表面的邊緣處，故芯片邊緣及鍵合焊點處熱應力最大，温度最高。中心鍍鋁金屬區域温度分佈較均勻，可近似認為是結温。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。

由結温温度場分佈探測結果可知，IGBT芯片表面温度並不一致，但除高温區域外其他區域温度分佈較均勻，但最高結温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。 ^[2]