穿圓形孔翅片對(duì)自然對(duì)流傳熱的強(qiáng)化研究

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院 鄭州450001)

翅片散熱是工程中常用的一種散熱方式。矩形翅片憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛地應(yīng)用，在太陽(yáng)能應(yīng)用、核反應(yīng)堆燃料的冷卻、電子元器件降溫和空調(diào)等方面起著不可或缺的作用。在此著眼于研究用于大功率LED燈的翅片散熱器。

強(qiáng)化矩形翅片傳熱的途徑有:增大表面和外界環(huán)境間的傳熱系數(shù)，增大表面的傳熱面積，或兩者同時(shí)應(yīng)用。設(shè)置翅片以擴(kuò)展表面積的方式來(lái)強(qiáng)化傳熱是相當(dāng)普遍的方法。對(duì)于翅片外形的優(yōu)化，已有了大量的研究，例如針形翅片、百葉窗式翅片、鋸齒翅片、開縫翅片、波紋翅片、開孔翅片等等。對(duì)于實(shí)心的矩形翅片已有大量的實(shí)驗(yàn)和模擬研究，但大多都忽略了輻射對(duì)散熱的影響。V Rammohan Rao 和S P Venkateshan[1]實(shí)驗(yàn)性的研究了水平翅片陣列中自然對(duì)流和輻射的相互作用。結(jié)果表明有不同的參數(shù)影響自然對(duì)流和輻射換熱，如翅片表面的輻射率、翅片間隙、高度和基底溫度。Senol Bakaya[2]等對(duì)水平的翅片組中翅片間距、翅高、翅長(zhǎng)以及翅片與周圍環(huán)境的溫差對(duì)自然對(duì)流的影響進(jìn)行了系統(tǒng)性的理論研究。V Dharma、S V Naidu、B Govinda Rao[3]等和王樂(lè)、吳珂[4]等在理論上研究了自然對(duì)流和輻射對(duì)水平矩形翅片的散熱研究。在開孔翅片的研究當(dāng)中，Abdullah H AlEssa與Mohamad I Al-Widyan[5]研究了三角形穿孔翅片對(duì)自然對(duì)流傳熱的強(qiáng)化作用。結(jié)果表明穿孔翅片在一定的區(qū)域內(nèi)要優(yōu)于實(shí)心翅片。M R Shaeri[6]等研究了側(cè)面開正方形孔翅片的強(qiáng)制對(duì)流傳熱。結(jié)果表明，新型的開孔翅片具有更高的總傳熱量，并大量地減輕了翅片的重量，節(jié)省了材料。曲樂(lè)和賈林祥[7]研究了打孔翅片表面性能數(shù)值模擬。結(jié)果顯示兩種打孔翅片的開孔率對(duì)翅片流動(dòng)阻力性能影響不大。黃鈺期與俞小莉[8]研究了翅片開孔的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，比較不同開孔方式對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，對(duì)鋸齒形翅片和波紋形翅片而言，不同的開孔參數(shù)和開孔位置對(duì)流動(dòng)與散熱都有不同的影響。對(duì)于矩形翅片開圓形孔的研究還不太成熟，為此這里將對(duì)開圓形孔的翅片進(jìn)行研究。研究的目的是:在存在導(dǎo)熱、自然對(duì)流換熱及輻射的條件下，研究開圓孔對(duì)矩形翅片散熱器散熱功率的影響，以其為高效大功率LED燈的散熱器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。論文的主要目標(biāo)可以概括為:1)研究開孔的相關(guān)因素對(duì)強(qiáng)化散熱的影響。2)與相應(yīng)尺寸的實(shí)心翅片相比較，確定開孔翅片的最優(yōu)外形。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 翅片散熱器結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)所用的翅片以開9孔的結(jié)構(gòu)為例示意如圖1。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先進(jìn)行實(shí)心翅片的實(shí)驗(yàn)，以得到翅片散熱功率。再在翅片中央開1個(gè)孔進(jìn)行單孔實(shí)驗(yàn)。然后在其兩側(cè)開2個(gè)孔，進(jìn)行3孔實(shí)驗(yàn)。以此類推直至開孔數(shù)為9。

圖1 翅片散熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of fi n array structure

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。將待測(cè)翅片置于靠電熱絲加熱的恒溫基板上，整套裝置置于帶自動(dòng)溫控系統(tǒng)的恒溫房中，采用Ds18b20數(shù)字傳感器測(cè)試翅片表面溫度并通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀將測(cè)試的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接至PC機(jī)上。實(shí)驗(yàn)中翅片表面散熱功率是通過(guò)測(cè)量電壓和電流值得到的。

具體的實(shí)驗(yàn)步驟為:先開啟電腦、安捷倫、恒溫房、恒溫?zé)峄?，待恒溫房和恒溫?zé)峄宓臏囟确€(wěn)定后，在翅片底部均勻涂抹導(dǎo)熱硅膠，將翅片迅速放置在恒溫?zé)峄迳希潭ǔ崞砻娴臒犭娮?，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)自耦變壓器使翅片溫度達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)翅片表面的溫度曲線出現(xiàn)11個(gè)完整波形后(即此時(shí)翅片表面工況已趨穩(wěn)定)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 The equipment fi gure of experimentation

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同打孔數(shù)下翅片的散熱功率的結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

由表中可知，隨開孔數(shù)的增加，散熱功率先隨之增大，當(dāng)開孔數(shù)為7時(shí)達(dá)到最高，爾后隨開孔數(shù)的增大而有所下降。開孔為7的散熱功率較實(shí)心翅片散熱功率提高了13.8%，開孔9時(shí)則略有下降。這是因?yàn)殚_孔的增加使得翅片中心的熱空氣得以盡快轉(zhuǎn)移，并及時(shí)補(bǔ)入冷空氣，強(qiáng)化了傳熱傳質(zhì)過(guò)程，從而增強(qiáng)了翅片的換熱能力。但當(dāng)開孔數(shù)再繼續(xù)增加時(shí)，由于翅片金屬的減少，翅片下端的熱量不足以由金屬快速向上端傳導(dǎo)并進(jìn)一步散失，于是出現(xiàn)了散熱功率隨開孔數(shù)較小的趨勢(shì)。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模型建立

為分析翅片散熱的機(jī)理，鑒于計(jì)算的物理模型和工況的對(duì)稱性，在此采用整翅片散熱器的1/4及其周圍的空氣為模擬對(duì)象(如圖3所示)進(jìn)行數(shù)值研究。模型的邊界條件如圖3所示，翅片前端空氣為壓力進(jìn)口，頂端為壓力出口，模型對(duì)稱邊為對(duì)稱邊界。翅片結(jié)構(gòu)及周圍區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約為160萬(wàn)個(gè)左右。計(jì)算速度壓力耦合采用SIMPLE算法。

圖3 計(jì)算模型及邊界條件設(shè)定Fig.3 Calculated model and boundary conditions

2.2 模擬假設(shè)

為便于數(shù)值建模和反映翅片結(jié)構(gòu)的流動(dòng)換熱性能，特作如下假設(shè):1)氣體(性質(zhì))采用了boussinesq假設(shè)，即空氣除了密度()外，為常物性；2)整個(gè)翅片的底面保持恒溫75℃，環(huán)境溫度恒定，為40℃，大氣壓力為101325Pa；3)氣體為穩(wěn)態(tài)不可壓縮的層流流動(dòng)；4)翅片的材料為Al，是均勻和各向同性的，并且具有常導(dǎo)熱率；5)輻射采用DO模型，其翅片的發(fā)射率取0.18。

3 結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的比較

圖4 實(shí)驗(yàn)與模擬散熱功率隨開孔數(shù)的變化Fig.4 Comparison of variation of heat dissipation power with the number of the perforation simulations compared with experimental results

由于數(shù)值計(jì)算模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為原實(shí)驗(yàn)散熱器的1/4，所以與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比時(shí)要將其散熱功率除以4。實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較如圖4所示。從圖中可知，當(dāng)開孔數(shù)為3時(shí)，實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)值存在最大相對(duì)誤差，其值為9.1%?？紤]到數(shù)值計(jì)算所作的假設(shè)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的相對(duì)誤差等因素，可以認(rèn)為數(shù)值模擬方法的可行性。此外，由圖可知，實(shí)驗(yàn)散熱功率和模擬散熱功率隨著翅片開孔數(shù)的增加，都呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)，即當(dāng)開孔數(shù)為7時(shí)散熱功率達(dá)到最大。由此說(shuō)明在該翅片上開7孔為最優(yōu)的選擇。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 開孔流場(chǎng)分析

為了分析開孔對(duì)翅片流動(dòng)散熱性能的影響，作出了實(shí)心翅片和開9孔翅片中央截面上的速度矢量如圖5所示。

圖5 實(shí)心翅片與開孔翅片中心截面上速度矢量圖Fig.5 Velocity vectors of center cross section of the solid and perforated fi n

從圖5(a)中可以看出，在翅片的加熱作用下，冷空氣被逐漸預(yù)熱密度下降，順著翅片下緣逐漸上升，在實(shí)心翅片與空氣接觸的外側(cè)，氣流迅速攀升；而內(nèi)側(cè)翅片內(nèi)則流速較小，氣流速度從下到上漸增，整個(gè)截面上速度呈現(xiàn)外高內(nèi)低的不均勻流動(dòng)現(xiàn)象。通過(guò)圖5(b)可知，開孔有利于了基底附近空氣的流動(dòng)，使外側(cè)冷空氣通過(guò)小孔流至內(nèi)側(cè)翅片，利于內(nèi)部翅片中空氣的流動(dòng)，從而能更好的將翅片內(nèi)的熱量帶走。該截面上的流動(dòng)相較實(shí)心翅片則顯得流動(dòng)更均勻合理。這也說(shuō)明了開孔翅片具有更高散熱功率的原因。

3.2.2 開孔位置對(duì)翅片散熱的影響

表2 散熱功率、平均表面散熱量和平均表面換熱系數(shù)隨開孔位置的變化值Tab.2 Variations of heat dissipation power, total surface heat fl ux and surface heat transfer coeff i cient with the location of the perforation

為了研究開孔位置對(duì)翅片散熱性能的影響，計(jì)算了三種不同開孔高度下的散熱功率值如表2所示。在這三組數(shù)據(jù)中，開孔數(shù)與孔大小是一樣的，即減少翅片表面的面積是一樣的。

由表2可得到，當(dāng)為實(shí)心矩形翅片開孔時(shí)，下端開孔的強(qiáng)化散熱效果最好，中部次之，上端最差。之所以出現(xiàn)散熱功率及平均表面散熱量和散熱系數(shù)的不同，這是由于翅片下端與外部冷空氣的接觸不夠充分。孔開在下端，加強(qiáng)了冷空氣與翅片間的自然對(duì)流散熱。孔的位置越靠上，翅片與冷空氣的接觸越充分，因開孔對(duì)翅片造成的冷卻效果不顯著，所以開孔對(duì)其翅片散熱的影響越小導(dǎo)致其散熱功率的減少。

3.2.3 開孔大小對(duì)翅片散熱的影響

下圖6為在翅片底部開9個(gè)孔時(shí)，翅片表面的散熱功率隨開孔半徑的變化。在圖中可以看出，當(dāng)保證孔圓心的間距為16.12mm不變的情況下，翅片表面的散熱功率隨開孔半徑的增大，先增大后減小。在開孔半徑為7mm時(shí)達(dá)到最大，與實(shí)心翅片相比，其散熱功率增加了27.14%。隨開孔半徑的增大，翅片散熱功率先隨之增大，可見并不是由于開孔增加了翅片的表面積，而是因?yàn)殚_孔改善了翅片間距空氣的流動(dòng)狀態(tài)。開孔的半徑越大補(bǔ)入翅片間距的冷空氣越多，強(qiáng)化了翅片的散熱效果。但是當(dāng)開孔半徑從7mm增大到7.5mm時(shí)，所增加的空氣換熱面積效果不足以抵償金屬損失所要帶走的熱量，使翅片表面的面積減小進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致散熱功率的降低。

圖6 散熱功率隨不同的開孔半徑的變化Fig.6 Variations of heat dissipation power with the radius of the holes

3.2.4 開孔形狀對(duì)翅片散熱的影響

研究了不同開孔形狀對(duì)翅片散熱性能的影響如表3所示。表3為在相同尺寸的翅片上開面積近似相等、不同形狀的孔時(shí)，翅片表面的散熱功率、平均散熱量和換熱系數(shù)值的變化。由表可以看出，當(dāng)外部條件相同，開不同形狀的孔時(shí)，翅片的散熱功率近似相等。但是有平均表面散熱量和散熱系數(shù)可以看出，開圓孔的翅片其散熱效果是最好的，方形孔次之，三角孔最差。

表3 散熱功率、平均表面散熱量和平均表面換熱系數(shù)隨開孔形狀的變化值Tab.3 Variations of heat dissipation power, total surface heat fl ux and surface heat transfer coeff i cient with the shape of the perforation

4 結(jié)論4

1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了開孔數(shù)對(duì)翅片散熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)開孔數(shù)為7時(shí)散熱效果最優(yōu)，較實(shí)心翅片相比可提高散熱功率達(dá)13.8%。并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬進(jìn)行了對(duì)比，兩者之間能較好的吻合，說(shuō)明采用數(shù)值模擬方法的可靠和結(jié)果的相對(duì)準(zhǔn)確性。2)通過(guò)研究開圓孔的相關(guān)因素對(duì)矩形翅片散熱器強(qiáng)化散熱性能的數(shù)值模擬，結(jié)果顯示:開孔有利于翅片外側(cè)內(nèi)冷空氣流入翅片內(nèi)側(cè)，從而使整個(gè)翅片周圍流動(dòng)更均勻，因而能更好的帶走翅片上的熱量；同時(shí)開孔位置也對(duì)翅片散熱功率產(chǎn)生顯著影響，下端開孔最好，中部次之，上端最差；翅片的散熱功率隨開孔半徑的增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)開孔半徑為7mm時(shí)達(dá)到最大；通過(guò)比較開孔形狀，發(fā)現(xiàn)圓孔更有利于翅片內(nèi)空氣的流動(dòng)和翅片的散熱。

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