翅片厚度對(duì)散熱器散熱性能影響分析

鄭明強(qiáng)

摘要：本文采用Fluent軟件，在不同的空氣工況下，對(duì)三組不同的散熱器翅片厚度進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，得到不同厚度下翅片的溫度及換熱系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，在相同的空氣工況下，翅片厚度等于0.16mm時(shí)，翅片換熱系數(shù)最大，傳熱最好，綜合性能最優(yōu)。這為散熱帶翅片的優(yōu)化提供相應(yīng)的參考。

關(guān)鍵詞：散熱器;翅片;換熱系數(shù);綜合性能

中圖分類號(hào)：TK124? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0073-02

0? 引言

汽散熱器是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要部分，使發(fā)動(dòng)機(jī)在所有工況下的工作溫度都在一定的允許范圍內(nèi)。其性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、換熱性能有重要的影響。

本研究對(duì)不同厚度的散熱器翅片進(jìn)行研究。國外學(xué)者利用FLUENT對(duì)散熱器的散熱性能分析計(jì)算，與之企業(yè)的風(fēng)洞試驗(yàn)平臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，其數(shù)值模擬值與試驗(yàn)值之間的誤差很小，其在實(shí)際工程允許的范圍內(nèi)，符合工程要求，這同時(shí)驗(yàn)證了CFD方法模擬散熱器的流動(dòng)換熱的可行性。

國內(nèi)學(xué)者將將散熱器的數(shù)值模擬的整體仿真分析結(jié)果與其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析研究，驗(yàn)證了CFD方法對(duì)散熱器整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化是可行的。同時(shí)，利用CFD方法，通過模擬百葉窗翅片，利用最小二乘法擬合出分析散熱器整體的參數(shù)，進(jìn)而模擬出散熱器整體的流動(dòng)換熱結(jié)果，這對(duì)散熱器的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

本文利用CFD軟件，對(duì)散熱器的不同厚度的百葉窗翅片進(jìn)行換熱系數(shù)計(jì)算，比較3組厚度在相同工況下的換熱系數(shù)情況，得出散熱效果相對(duì)較好的厚度參數(shù)，對(duì)翅片的優(yōu)化提供一定的設(shè)計(jì)參考。

1? 計(jì)算條件

1.1 幾何模型

散熱帶翅片數(shù)量較大，同時(shí)，其呈對(duì)稱及周期分布，當(dāng)前計(jì)算機(jī)性能不能滿足分析散熱器整體，故只需研究一個(gè)翅片單元（圖1所示）的流動(dòng)換熱情況，進(jìn)而分析其換熱性能，其幾何參數(shù)如表1所示。

1.2 材料參數(shù)

翅片材料為材料庫中的鋁材，冷流體為空氣。其物性參數(shù)如表2所示。

1.3 控制方程

本研究利用以下3個(gè)控制方程進(jìn)行分析：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

1.4 邊界條件

邊界條件如下，如圖2所示。

①壁面設(shè)為恒溫壁面。②進(jìn)口設(shè)為溫度入口及質(zhì)量流量入口。③出口設(shè)為壓力出口。④上下面設(shè)為周期邊界條件。⑤右端表面為對(duì)稱邊界。⑥未設(shè)置的壁面均設(shè)置為絕熱壁面，如圖3所示。

根據(jù)3組不同的翅片厚度，通過FLUENT軟件建立三組不同的數(shù)值模擬計(jì)算模型，在6種（2m/s，4m/s，6m/s，8m/s，10m/s，12m/s）不同的空氣工況下進(jìn)行CFD模擬分析計(jì)算。

2? 仿真分析

在翅片其他的物性參數(shù)不變的情況下，本文選用厚度為0.16mm、0.18mm、0.2mm，利用FLUENT軟件，對(duì)其在6種不同的空氣工況下進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了三組不同翅片厚度的溫度云圖，得出相應(yīng)的換熱系數(shù)，進(jìn)而對(duì)不同厚度翅片的散熱性能進(jìn)行分析。

圖3至圖5為在工況12m/s下的翅片溫度云圖。由圖可知，翅片厚度的不斷增加，冷流體在翅片間的流量不斷減小，進(jìn)而造成翅片的散熱性能不斷地減弱。

雖然厚度越薄的散熱翅片，散熱效果也較優(yōu)，但受散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，其翅片的厚度也不能太小。因此，為保證散熱器整體結(jié)構(gòu)的可靠、牢固，在設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，因選擇符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求的翅片厚度，本數(shù)值模擬值為設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

比較相同空氣工況下的不同厚度翅片的換熱系數(shù)可知（見圖6），厚度不斷增大，翅片的換熱系數(shù)逐漸減小，翅片厚度為0.16mm時(shí)，其換熱系數(shù)比翅片厚度為0.18mm時(shí)，其換熱系數(shù)要高，最大值為2.32%，最小值為0.53%。對(duì)比厚度為0.2mm時(shí)，換熱系數(shù)值也大幅增大，最大值為8.71%，最小值為1.35%。

厚度的不斷增大，其換熱性能逐漸減弱，這是因?yàn)楫?dāng)厚度逐漸增大，冷流體與翅片接觸逐漸減小，同時(shí)其內(nèi)部熱阻也不斷的增大。因此，厚度的不斷增大，對(duì)翅片和冷流體之間的流動(dòng)換熱效果是非常受影響的。

3? 結(jié)論

在相同工況下，利用Fluent對(duì)三組不同厚度的百葉窗翅片進(jìn)行了模擬計(jì)算，其結(jié)論如下：

①厚度為0.16mm時(shí)，翅片傳熱最好，換熱性能最好。

②厚度不斷增大，翅片與冷流體之間的接觸也隨之減小，進(jìn)而使內(nèi)阻逐漸增大，這對(duì)換熱是非常不利的。

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