[科普中国]-场分布

场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个消逝波，且在金属中场分布比在介质中分布更集中，一般分布深度与波长量级相同。

场分布特性

1、在平行于表面的方向，场是可以传播的，但是由于金属的损耗存在，所以在传播的过程中会有衰减存在，传播距离有限。

2、表面等离子体波的色散曲线处在光纤的右侧，在相同频率的情况下，其波矢量比光波矢量要大。

固定床反应器床层反应过程与场分布数值模拟以甲烷化固定床反应器床层为研究对象，使用CFD软件编写CEL语言，将甲烷化反应以源项的形式添加到模拟过程中，对比多孔介质模型与填充球床模型模拟的准确性，选择填充球床模型进行模拟，获得了床层的速度场、组分浓度以及温度场分布。研究结果表明：与填充球床模型比较，由于多孔介质模型简化了内部的孔隙结构，使用其对固定床反应器进行模拟时存在较大误差，其中出口温度模拟值比实测值低13.6%；固定床的壁效应使近壁面处10%的圆环面积上通过20%的质量流量，进而显著影响床层内部场的分布；床层内部轴向温升显著，从250℃升高到685℃，同时径向温度分布不均，变化范围在20～40℃内波动。1

壁效应造成的流场分布不均匀使用多孔介质模型得到的是一个在径向上分布均匀的流场，只有在靠近壁面的地方受壁面的影响存在速度梯度。而使用填充球床模型得到的速度场在径向上存在很大的差异。

不同高度径向截面上速度沿径向分布的不均匀程度。从中可以看出，速度在径向上不断波动，尤其在近壁面附近速度最大达到70m·s−1。这就表明，由于近壁面处存在较大的孔隙，大部分混合气体从壁面附近通过。为了定量分析壁面附近的流量，在壁面附近取0。25倍的颗粒直径宽度的环形区域，通过CFD后处理软件求得通过此区域的质量流率为总质量流率的22%，而该环隙的面积只占总面积的10%。1

床层横向流动对比填充球床与多孔介质床在横向流动方面有较大的差异：多孔介质的横向平均速度为0.04m·s−1，横向速度最大与最小值差距仅为0.49m·s−1；填充球模型的横向平均速度为3.5m·s−1，横向速度最大与最小值差距为14.57m·s−1。显然填充球床的横向对流明显比多孔介质床层的横向对流强烈，这对于传热、传质以及化学反应都是有利的。多孔介质模型不能反映气体绕过催化剂表面的流动，只能给出整体的流动趋势。1

两种模型的有效性验证利用CFD-Post后处理软件获得了出口处的温度值，通过与现场得到的出口实测数据对比来验证模型的有效性。多孔介质模型出口温度较实测值偏低，误差较大，而填充球床模型模拟结果则与实测值较为接近。1

填充球床床层温度场分布催化反应床层内部温度作为衡量反应进度以及判断催化剂是否失活的重要参数是生产过程中必须实时监控的数据，所以重点对温度场分布进行分析讨论。由于在模拟过程中添加了热量源项，热量的产生与甲烷的产率是呈正比的，因此两图的分布几乎一样。分别提取了不同r处轴向温升曲线与不同高度Z处的径向温度分布曲线。1

在轴向上，整体上混合气温度随进入床层距离增加而不断升高（从 250℃升高至685℃），在距离床层入口0.2m以内温升特别明显（上升了约300℃），说明在这一段反应比较剧烈。在接近出口的床层段温升不明显。这是因为假定在进入催化剂床层时气体已经充分混合，反应速率主要受反应物浓度控制。离中心不同距离处的温升曲线不同，越靠近壁面温度越低。

在径向上，整体上呈现出“两边低，中间高的分布。壁面与中心处温差在20～40℃范围内波动。这主要是由于壁效应导致近壁面处流速增大，反应物反应时间短，大部分热量被带走，进而导致反应产热相对少，而散热相对大的原因造成的。随着混合气进入床层距离的不断增加，径向温度分布逐渐趋向均匀。1

IGBT结温及温度场分布探测绝缘栅双极型晶体管（IGBT）采用传统的集总参数热路法只能得到一个平均结温，不能获得芯片表面的温度场分布，因此有必要开展结温探测及温度场分布研究。先在数值仿真软件ANSYS热仿真分析环境里采用有限单元法（FEM）得到模块温度场分布，利用红外热成像仪探测IGBT模块芯片表面结温，获得了结温瞬态温度场分布，分析了结温温升及温度场分布特征，可知高温区域出现于芯片边缘及引线键合焊点处。以上分析对研究该类电力电子器件工作结温温升和芯片表面温度分布及散热设计具有较高的指导价值。2

结温及温度场分布数值仿真计算针对GD50HFL120C1S型IGBT模块，采用有限元数值仿真软件ANSYS对温度场分布进行了数值仿真计算。计算时首先需建立其3D几何模型，在几何模型中做出假设。2

基于上述几何模型假设，将在SolidWorks里做好的IGBT模块的三维结构图导入ANSYSWorkbench热仿真环境，利用基于网格划分的FEM进行温度场热仿真分析。将仿真环境边界条件设置为：环境温度为22 ℃，基板温度为40.6℃，加热电流为50A。仿真得到的模块芯片表面的温度场分布，高温区域为IGBT模块芯片。可知，最高结温稳态值为64.6℃，高温区域集中在芯片层，且中心温度高于边缘温度，温度由中心向边缘逐步降低，这是因为在仿真条件设置时是基于理想假设条件，即将芯片层表面视为一个内热源，且忽略了铝丝键合引线和芯片间的耦合作用。

功率电子器件工作在开关模式时，其峰值结温与平均结温有一定的差别，在电流脉冲的持续时间较长，占空比也较高的情况下，峰值结温可能会非常接近平均结温。上述温度场分布是在理想条件下得到的，故存在一定程度的偏差。2

结温及温度场分布探测实验比较成熟的功率半导体器件温度探测方法主要有热传感器法、热敏电气参数法和红外热成像探测法3种。热电偶测温方法由于探测速度较慢，达不到IGBT结温实时探测的要求，且测温时需与被测物体充分接触，故只能把热电偶布在芯片周围，会带来较大的测量误差。电参数测温方法测试精度与速度不会很高，测得的是IGBT模块芯片的平均结温，因此只能对IGBT结温进行一定的估算。红外测温方法作为一种非直接接触被测物体的温度测量手段，其精度高、探测速度非常快，可以满足IGBT实时结温的测量要求。

采用红外热成像法进行IGBT实时结温的探测需解决两个问题，首先是一般的商业IGBT模块都是已封装好的成品，有外壳封装，同时内部芯片表面还覆盖有一层硅胶。实验采用了打开封装并且去除硅胶后的GD50HEL120C1S，额定电压为1.2kV，额定直流连续工作电流为50A，作为该模块的封装。2

从实验得到的稳态温度场分布测试结果来看，结温温度场分布高温区域出现于芯片边缘，即芯片与焊片的交界处，同时芯片与键合引线的连接位置即键合焊点处也为高温区域，这是由于在模块实际工作中，当通过较大电流时，所产生的损耗即热量直接加载在键合引线及键合焊点处，而键合引线直径很小，一般为微米级，且引线键合焊点位于芯片表面的边缘处，故芯片边缘及键合焊点处热应力最大，温度最高。中心镀铝金属区域温度分布较均匀，可近似认为是结温。还有测量方面引起的误差，即不同材料对应的发射率差别很大。

由结温温度场分布探测结果可知，IGBT芯片表面温度并不一致，但除高温区域外其他区域温度分布较均匀，但最高结温是决定器件正常工作、寿命预测与可靠性评估的一个关键因素，在进行该类型装置散热设计时必须重点考虑。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所