脈動(dòng)流強(qiáng)化翅片散熱器數(shù)值模擬研究

陳軍偉　閔春華　張媛　王坤　謝立垚

摘要 采用數(shù)值模擬的方法，研究脈動(dòng)流作用下翅片散熱器的散熱效果，分析脈動(dòng)振幅和脈動(dòng)頻率對(duì)散熱性能的影響。結(jié)果表明：脈動(dòng)流能增強(qiáng)翅片散熱器的散熱效果;隨著脈動(dòng)振幅增大，瞬時(shí)換熱性能和瞬時(shí)阻力性能波動(dòng)越來(lái)越強(qiáng)，平均換熱性能和平均阻力性能增加;存在最佳振幅使綜合換熱性能最高;隨著脈動(dòng)頻率增大，瞬時(shí)換熱性能變化不大，平均換熱性能逐漸減小;瞬時(shí)阻力性能波動(dòng)劇烈且波動(dòng)幅值增大，平均阻力性能減小;存在最佳頻率使綜合換熱性能最高。

關(guān) 鍵 詞 翅片散熱器;電子器件;脈動(dòng)流;強(qiáng)化傳熱;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào) TK124? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Numerical study on finned radiator under pulsating flow for heat dissipation enhancement

CHEN Junwei， MIN Chunhua， ZHANG Yuan， WANG Kun， XIE Liyao

（ School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China ）

Abstract A numerical method is used to study the heat dissipation performance of a plate-fin radiator under pulsating flow. The effects of pulsating amplitude and frequency on the heat dissipation performance are analyzed. The results show that the pulsating flow can somewhat enhance the heat dissipation performance of the radiator. The transient heat dissipation? performance? and? the? transient? flow resistance increase as the amplitude increases. An optimal amplitude exists? where? the? radiator has the highest overall heat dissipation performance. With the increase of the frequency， the radiator transient heat dissipation performance is nearly invariable; while the average heat transfer performance decreases gradually. Meanwhile the transient resistance fluctuates sharply， the fluctuation amplitude increases while the average flow resistance decreases. There is also an optimal frequency that leads to the highest overall heat dissipation performance of the heatsink.

Key words finned radiator; electronic device; pulsating flow; heat transfer enhancement; numerical simulation

0 引言

隨著電子及通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能芯片和集成電路的使用越來(lái)越廣泛。而電子器件芯片的功率不斷增大體積逐漸縮小，使其散熱問(wèn)題日益突出，因此，保證電子設(shè)備在安全溫度下運(yùn)行非常關(guān)鍵[1]。近年來(lái)，利用脈動(dòng)流技術(shù)強(qiáng)化通道內(nèi)流體的傳熱和傳質(zhì)性能得到研究者的廣泛關(guān)注。潘朝峰等[2]總結(jié)了脈動(dòng)流的發(fā)生形式和脈動(dòng)強(qiáng)化換熱機(jī)理。文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)數(shù)值模擬研究了脈動(dòng)流對(duì)帶凹槽通道換熱的影響，得出脈動(dòng)速度使凹槽中的旋渦周期性的脫落，增強(qiáng)了凹槽中流體與主流體的摻混，從而得出脈動(dòng)流對(duì)凹槽通道起到強(qiáng)化傳熱的結(jié)果。文獻(xiàn)[5-7]研究了脈動(dòng)流對(duì)帶有縱向渦流發(fā)生器矩形通道內(nèi)的對(duì)流傳熱問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)振幅和頻率對(duì)流動(dòng)和換熱影響較大。楊志超等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬研究脈動(dòng)流對(duì)三角凹槽通道內(nèi)的流動(dòng)與換熱的影響，結(jié)果表明：存在一個(gè)使強(qiáng)化傳熱效果最好的最佳脈動(dòng)頻率。Armin等[9]對(duì)圓柱體脈動(dòng)流動(dòng)中的非穩(wěn)態(tài)傳熱動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，得出傳熱動(dòng)力學(xué)受多個(gè)時(shí)間尺度的控制。Akdag等[10]對(duì)脈動(dòng)納米流體在波紋通道中進(jìn)行研究，得出在脈動(dòng)流下納米顆粒換熱增強(qiáng)的結(jié)果。Zamzari等[11]對(duì)水平通道內(nèi)脈動(dòng)流熵產(chǎn)與換熱的數(shù)值研究，得出脈動(dòng)頻率和振幅對(duì)熵產(chǎn)有強(qiáng)烈的影響。Zhang等[12]研究了3種脈動(dòng)形式對(duì)微通道散熱器傳熱的影響，得出正弦波作用下的傳熱系數(shù)最高。Naphon等[13]利用脈動(dòng)流和磁場(chǎng)對(duì)螺旋波紋管中TiO2-水納米流體對(duì)流換熱的影響，得出組合傳熱提高了熱性能。Yang等[14]對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)兩相脈動(dòng)流動(dòng)的傳熱測(cè)量及流型可視化進(jìn)行研究，結(jié)果表明在短周期的脈動(dòng)流中，可以最大限度地提高傳熱。

可以看出，脈動(dòng)流強(qiáng)化傳熱已受到廣泛研究，但在翅片散熱研究方面的成果相對(duì)較少。本文將脈動(dòng)流用于電子器件冷卻，能豐富脈動(dòng)流的應(yīng)用范圍，指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。

1 散熱器模型及計(jì)算方法

1.1 物理模型

將散熱器置于一矩形通道中，如圖1所示，空氣由左向右流過(guò)散熱器。散熱器底部基板中間部位為發(fā)熱元件。散熱器結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。通道及散熱器尺寸列于表1。需要說(shuō)明的是，散熱器基板的寬與通道的寬相等，翅片頂端到通道上底板之間的間隙為2 mm。

1.2 計(jì)算方法

分析脈動(dòng)流作用下散熱器的對(duì)流散熱效果，采用的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，具體描述如下：

1）連續(xù)性方程為

[ρ?ui?xi=0]， （1）

2）動(dòng)量方程為

[ρ??xj（uiuj）=-?p?xi+μ??xj（?ui?xj）]， （2）

3）能量方程為

[ρ??xjujT=λcp??xj（?T?xj）]， （3）

式中：ρ為密度，kg/m3;ui，uj分別為i和j方向上的速度分量，m/s;xi，xj分別為i，j方向的坐標(biāo);μ為動(dòng)力粘度，Pa·s;p 為壓力，Pa;T為溫度，K;λ為導(dǎo)熱系數(shù)W/（m·K）;cp為流體的定壓比熱流，J/（kg·K）。

控制方程的求解采用SIMPLE算法。邊界條件設(shè)置：給定進(jìn)口溫度和脈動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)速計(jì)算式為uin =u0+Asin（2πft），式中uin為矩形通道進(jìn)口速度，u0為穩(wěn)流時(shí)的進(jìn)口速度，A為脈動(dòng)振幅，f為脈動(dòng)頻率，t為時(shí)間。底面為等熱流密度邊界條件，熱流密度為q =1.0×105 W/m2，通道兩外側(cè)壁面設(shè)為絕熱邊界條件。

計(jì)算中用到的參數(shù)定義如下：

[Re=ρuDhμ]， （4）

[Nu=hDhλ]， （5）

[f=2ΔPρu2lDhL]， （6）

式中：Dh為通道橫截面當(dāng)量直徑，m;h為矩形通道內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K），h=q/ΔT;L為流動(dòng)方向總長(zhǎng)度，m;Δp為進(jìn)出口壓力差;溫差ΔT取代數(shù)平均溫差。

無(wú)量綱瞬時(shí)強(qiáng)化換熱因子Eh和瞬時(shí)阻力因子Ef定義為

[Eh=NuunNus] ， （7）

[Ef=funfs] ， （8）

式中：下標(biāo)s表示穩(wěn)流下的平均值;下標(biāo)un表示脈動(dòng)工況下瞬時(shí)值。

一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)平均強(qiáng)化換熱因子Ehav和平均阻力因子Efav分別為

[Ehav=1T0TEhdt] ， （9）

[Efav=1T0TEfdt]。 （10）

綜合強(qiáng)化換熱因子η定義為

[η=EhavEfav13]。 （11）

無(wú)量綱量時(shí)間τ定義為

[τ=t/T]， （12）

式中：t為當(dāng)前時(shí)間;T為脈動(dòng)周期。故τ表示脈動(dòng)周期數(shù)量。在后續(xù)分析中，待流動(dòng)與傳熱達(dá)到周期穩(wěn)定后，分析一個(gè)周期內(nèi)的流動(dòng)與換熱特性。

2 模型驗(yàn)證

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，散熱器網(wǎng)格局部加密，散熱器網(wǎng)格劃分如圖3所示。不同網(wǎng)格數(shù)時(shí)發(fā)熱元件的平均溫度Tav如圖4所示?？梢钥闯觯?dāng)網(wǎng)格數(shù)在大約6.1×105時(shí)，得到網(wǎng)格獨(dú)立性解。

為了驗(yàn)證模型的正確性，按本文的模擬方法對(duì)文獻(xiàn)[8]中的分段式平直翅片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。模擬的模型尺寸和邊界條件與文獻(xiàn)[8]一致，即散熱器肋長(zhǎng)70 mm，肋寬62.8 mm，肋高30.4 mm，肋厚1 mm，肋間距2.04 mm，基板厚4 mm，流道數(shù)19個(gè)，散熱器肋長(zhǎng)分為相等的4段，縫寬2.5 mm，功率為30 W。模擬的實(shí)驗(yàn)得到的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h，如圖5所示?？梢钥闯?，兩者的誤差小于5%，證明模型可靠。

3 結(jié)果與討論

主要分析脈動(dòng)振幅A和脈動(dòng)頻率f對(duì)分段式平直翅片散熱器散熱性能的影響。研究過(guò)程中，脈動(dòng)速度的平均速度取固定值5 m/s。脈動(dòng)振幅的取值包括1 m/s、2 m/s、3 m/s和4 m/s等4種情況;脈動(dòng)頻率的取值包括1 Hz，2 Hz，2.5 Hz，3.2 Hz，4 Hz和5 Hz等6種情況。分析脈動(dòng)振幅的影響時(shí)，脈動(dòng)頻率取1 Hz，分析脈動(dòng)頻率的影響時(shí)，脈動(dòng)振幅取4 m/s。

首先按照穩(wěn)態(tài)過(guò)程模擬，待迭代收斂后轉(zhuǎn)為非穩(wěn)態(tài)模擬。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大約經(jīng)過(guò)8個(gè)周期后，脈動(dòng)流散熱達(dá)到周期性穩(wěn)定。在后續(xù)分析中，對(duì)第9個(gè)周期內(nèi)的流動(dòng)與換熱特性進(jìn)行分析。

3.1 脈動(dòng)振幅對(duì)散熱器性能的影響

圖6所示為1個(gè)周期內(nèi)，通道出口空氣平均溫度隨時(shí)間的變化?？梢钥闯觯骄鶞囟冉瞥收液瘮?shù)變化，但是，變化方向與速度相反，即速度增加則出口溫度降低，反之亦然。前半周期出口溫度變化很小，后半周期變化較大。隨著脈動(dòng)振幅的增大，出口溫度波動(dòng)越大。

圖7～圖9分別所示為1個(gè)周期內(nèi)，脈動(dòng)振幅對(duì)換熱性能、阻力性能和綜合換熱性能的影響。可以看出，瞬時(shí)強(qiáng)化換熱因子Eh呈正弦函數(shù)變化，且脈動(dòng)振幅A越大，Eh的振幅也越大。平均強(qiáng)化換熱因子Ehav大于1，表明與均勻流相比，脈動(dòng)速度能增強(qiáng)對(duì)流傳熱，且脈動(dòng)振幅越大，強(qiáng)化換熱效果越好，但隨著振幅增加，Ehav增幅下降;阻力變化與出口溫度變化相似，但隨著振幅的增加，Efav增幅提高;脈動(dòng)流作用下，綜合換熱因子η>1，且隨著脈動(dòng)振幅的增大，η先增大后減小，在振幅A=3 m/s時(shí)達(dá)最大值。

3.2 脈動(dòng)頻率對(duì)散熱性能的影響

圖10所示為一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)，不同脈動(dòng)頻率時(shí)通道出口空氣平均溫度隨時(shí)間的變化?？梢钥闯?，隨著脈動(dòng)頻率的增加，出口平均溫度的波動(dòng)最大值逐漸減小。這是由溫度變化的滯后現(xiàn)象造成的。

圖11～圖13分別所示為一個(gè)周期內(nèi)，脈動(dòng)頻率對(duì)換熱性能、阻力性能和綜合換熱性能的影響?？梢钥闯?，隨著脈動(dòng)頻率的增加，瞬時(shí)強(qiáng)化換熱因子Ehav逐漸減小，但變化幅度不大;阻力隨脈動(dòng)頻率的變化較明顯，脈動(dòng)頻率越大，阻力因子的波動(dòng)越劇烈。隨著脈動(dòng)頻率增大，平均阻力因子Efav逐漸減小，當(dāng)頻率大于4 Hz時(shí)，平均阻力因子的減小幅度明顯下降;隨著脈動(dòng)頻率的增大，綜合換熱因子η先增大后減小，頻率為4 Hz時(shí)η最大。

4 結(jié)論

本文針對(duì)電子器件強(qiáng)化散熱的問(wèn)題，提出了對(duì)分段式平直翅片散熱器，采用正弦波脈動(dòng)流對(duì)其進(jìn)行冷卻，分析脈動(dòng)振幅和頻率對(duì)散熱性能的影響，得到如下結(jié)論：

1）脈動(dòng)流能增強(qiáng)翅片散熱器的散熱效果。

2）隨著脈動(dòng)振幅增大，瞬時(shí)換熱性能和瞬時(shí)阻力性能波動(dòng)越來(lái)越強(qiáng)，平均換熱性能和平均阻力性能增加;存在最佳振幅使綜合換熱性能最高。

3）隨著脈動(dòng)頻率增大，瞬時(shí)換熱性能變化不大，平均換熱性能逐漸減小;瞬時(shí)阻力性能波動(dòng)劇烈且波動(dòng)幅值增大，平均阻力性能減小;存在最佳頻率使綜合換熱性能最高。

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[責(zé)任編輯 田 豐]