風(fēng)冷散熱翅片阻力及傳熱特性的參數(shù)化數(shù)值研究

張方駒,劉 禹,范鵬杰,方 堃,常 偉

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,機(jī)載電子設(shè)備不斷趨于體積微型化和功能多樣化,但隨之而來的是電子器件熱流密度過大、局部溫度過高等一系列問題。據(jù)統(tǒng)計(jì),55%的電子器件失效原因是溫度超出了規(guī)定閥值[1],且隨著溫度的升高,電子器件的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)[2]。因此,熱設(shè)計(jì)是電子設(shè)備設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)。機(jī)載設(shè)備通常對(duì)體積、重量要求嚴(yán)格,因此大多采用風(fēng)冷的散熱方式,以充分利用高空的低溫空氣。

風(fēng)冷散熱通常利用肋壁(翅片)來增加散熱面積,以強(qiáng)化換熱。英國(guó)馬爾斯頓·艾克謝爾瑟公司1930年就在板式換熱器的基礎(chǔ)上增加翅片,用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱器[3];張笑凡等進(jìn)行了機(jī)載大長(zhǎng)寬比風(fēng)冷均溫板翅片的優(yōu)化設(shè)計(jì)[4];郭建忠等通過仿真研究了變角度翅片結(jié)構(gòu)對(duì)散熱性能的影響分析[5];施興興等研究了翅片間距對(duì)傳熱與阻力特性影響的試驗(yàn)研究[6];Wang等通過大量試驗(yàn)研究了不同翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱與阻力特性的影響[7-9]。本文基于某小型機(jī)載雷達(dá)熱設(shè)計(jì)與熱仿真,對(duì)風(fēng)冷散熱翅片的齒形、齒距、齒厚等不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱效果的影響進(jìn)行研究與分析,為此類熱設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 物理模型

某小型機(jī)載雷達(dá)發(fā)射/接收(T/R)組件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示。外形尺寸為210 mm×92 mm×9.5 mm,熱源發(fā)熱量為168 W,熱流密度達(dá)60 W/cm2。熱源兩邊為翅片,增加散熱面積,底板厚3.5 mm,做成均熱板以增強(qiáng)二維熱擴(kuò)散能力。T/R組件共16組,依次排列,通過散熱翅片形成風(fēng)道。

圖1 T/R組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

對(duì)于給定高度的散熱翅片,定義翅片幾何參數(shù)如圖2所示。圖中t為齒厚,s為齒距,d為打斷,其它參數(shù)齒高為6 mm。

圖2 翅片幾何參數(shù)

為研究齒形、齒距、齒厚的不同對(duì)熱源散熱的影響,根據(jù)實(shí)際情況確定研究的變化因子與變化水平,如表1所示。

表1 變化因子水平表

根據(jù)正交設(shè)計(jì)表[10]L934,并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)變化因子與變化水平進(jìn)行安排研究,如表2所示。

表2 參數(shù)研究安排表

工程實(shí)際中,風(fēng)冷散熱通常是給定風(fēng)機(jī)型號(hào),因此研究選取某型國(guó)產(chǎn)風(fēng)機(jī)來提供冷風(fēng),如圖3所示。根據(jù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的不同,共有3條風(fēng)量風(fēng)壓特性曲線。風(fēng)機(jī)外形尺寸為50 mm×50 mm×28 mm,上下2組風(fēng)機(jī),每組3個(gè),共6個(gè)風(fēng)機(jī)。海平面空氣溫度為15 ℃。

圖3 風(fēng)量風(fēng)壓特性曲線

1.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)傳熱學(xué)原理,系統(tǒng)換熱量:

Q=cairmair(Tout-Tin)=hA(Tw-Tf)

(1)

式中:Q為系統(tǒng)換熱量,由熱源發(fā)熱量可知;cair為定性溫度下的空氣比熱;mair為空氣質(zhì)量流量;Tout為空氣出口溫度;Tin為空氣進(jìn)口溫度;h為對(duì)流換熱系數(shù);A為總換熱面積;Tw為壁面溫度;Tf為空氣溫度。

均熱板理論導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)20 000 W/(m·K),實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)也可達(dá)3 000 W/(m·K),底板溫差較小,且翅片高度較低,因此假定均熱板平均溫度為Tw,空氣進(jìn)出口平均溫度為Tf。由此可得努塞爾數(shù)Nu:

(2)

式中:d為當(dāng)量直徑,d=4Vfree/Awet,Vfree為翅片內(nèi)空氣自由流通的體積,Awet為翅片內(nèi)空氣自由流通的濕潤(rùn)面積;λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)。

代表傳熱性能的傳熱因子j計(jì)算公式為[11]:

(3)

式中:Pr為普朗特?cái)?shù);Re為雷諾數(shù)。

代表阻力性能的摩擦因子f計(jì)算公式為[11]:

(4)

式中:d為當(dāng)量直徑;L為翅片長(zhǎng)度;Δp為空氣壓降;ρm為定性溫度下空氣的密度;w為空氣的平均流速。

對(duì)于強(qiáng)化換熱表面,努塞爾數(shù)越大,摩擦因子越小,換熱性能越優(yōu)越。在眾多不同的強(qiáng)化換熱表面中,應(yīng)選擇一種既能強(qiáng)化換熱,又不會(huì)引起較大摩擦損失的表面。因此,選擇一種判斷表面綜合性能的標(biāo)準(zhǔn)十分關(guān)鍵。Shah[12]提出強(qiáng)化表面換熱品質(zhì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),即熱性能因子(TPF),翅片的TPF值越大,綜合性能越好:

FTPF=Nu/f1/3

(5)

2 仿真結(jié)果分析

2.1 各模型散熱效果對(duì)比分析

選取3種風(fēng)機(jī)作為工況邊界條件,通過仿真計(jì)算,得到模型A、B、C、D、E、F、G 7種結(jié)構(gòu)形式翅片對(duì)應(yīng)的熱源溫度T/℃、風(fēng)量V/m3·h-1和壓降ΔP/Pa,數(shù)據(jù)整理如表3所示。

表3 3種工況下各模型參數(shù)表

熱源溫度的高低反映了不同結(jié)構(gòu)形式翅片的散熱效果,熱源溫度越高,散熱效果越差,圖4直觀地顯示了7種不同形式的翅片所對(duì)應(yīng)的熱源溫度。

圖4 各模型散熱效果對(duì)比

選用模型A作為對(duì)照組,分別與其它6組模型進(jìn)行對(duì)比。比較模型A、模型B、模型C 3組數(shù)據(jù)可知,齒距、齒厚不變,隨著翅片打斷的增多,熱源溫度逐漸升高,原因是翅片的打斷雖然增強(qiáng)了空氣流動(dòng)時(shí)的紊流,能夠增強(qiáng)換熱,但是流阻增加,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)送風(fēng)量減少,綜合作用下翅片散熱效果降低。比較模型A、模型D、模型E 3組數(shù)據(jù)可知,齒厚、打斷不變,當(dāng)齒距由1.5 mm減小為1 mm時(shí),熱源溫度升高,齒距的減小雖然增加了二次換熱面積,但是有效流通截面積減小,摩擦增大,流阻增加,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)送風(fēng)量減小,綜合作用下翅片散熱效果降低;當(dāng)齒距由1.5 mm增大到2 mm時(shí),熱源溫度升高,齒距的增加雖然加大了有效流通截面積,減小了摩擦,風(fēng)機(jī)送風(fēng)量增加,但是二次換熱面積減小,綜合作用下翅片散熱效果同樣降低,1.5 mm的齒距換熱效果最優(yōu)。比較模型A、模型F、模型G 3組數(shù)據(jù)可知,齒距、打斷不變時(shí),隨著齒厚從1 mm增加到2 mm,熱源溫度逐漸升高,齒厚的增加減小了有效流通截面積,流阻增加,風(fēng)機(jī)送風(fēng)量減小,且二次換熱面積同時(shí)減小,因此散熱效果降低。值得關(guān)注的是,隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加,模型D的散熱效果提升很快,原因是隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和風(fēng)量的增大,截面積減小導(dǎo)致流阻增加對(duì)散熱效果的影響越來越小,二次換熱面積增加對(duì)散熱效果的影響越來越大,當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓足夠大時(shí),模型D也能達(dá)到較高的散熱效果。

由分析可知,在選定風(fēng)機(jī)的工況下,翅片的打斷降低了翅片的散熱效果,選擇無(wú)打斷的翅片散熱效果最優(yōu);翅片的疏密對(duì)散熱效果的影響很大,選擇合適的齒距才能達(dá)到最佳的散熱效果;齒厚的增加不僅增加了流阻,而且減小了二次換熱面積,因此選擇更薄的翅片能得到更優(yōu)的散熱效果,綜合對(duì)比下,模型A(齒厚1 mm、齒距1.5 mm、無(wú)打斷)擁有最佳的散熱效果。

2.2 各模型綜合性能對(duì)比分析

對(duì)散熱翅片的性能評(píng)價(jià),不是散熱效果越高越好,也要綜合考慮散熱翅片對(duì)強(qiáng)化換熱的增強(qiáng)作用,以及對(duì)來流氣體的阻礙作用,因此選用綜合性能評(píng)價(jià)因子TPF對(duì)各模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖5給出了各模型傳熱因子、阻力因子、TPF隨雷諾數(shù)的變化趨勢(shì)。從圖5(a)中可以看出,隨著雷諾數(shù)變大,各模型傳熱因子均減小,強(qiáng)化換熱效果逐漸降低;從圖5(b)中可以看出,隨著雷諾數(shù)變大,各模型阻力因子均減小,阻力性能逐漸提升;從圖5(c)中可以看出,隨著雷諾數(shù)變大,各模型綜合性能評(píng)價(jià)因子TPF均減小,綜合性能逐漸降低。

同雷諾數(shù)下,模型A、模型B、模型C的傳熱因子與阻力因子逐漸增加,原因是翅片的打斷增加了空氣湍流,增強(qiáng)了換熱效果,同時(shí)也增加了流動(dòng)阻力,三者中模型A擁有最佳的綜合性能;同雷諾數(shù)下,模型D、模型A、模型E的傳熱因子與阻力因子逐漸增加,原因是大齒距對(duì)應(yīng)更大的當(dāng)量直徑,空氣流速較低,低流速時(shí)換熱更加充分,同時(shí)流動(dòng)邊界層更厚,流動(dòng)損失更大,三者中模型E擁有最佳的綜合性能;同雷諾數(shù)下,模型A、模型F、模型G擁有相同的流速和齒形,因此傳熱因子、阻力因子、綜合性能均相同。綜合對(duì)比7種模型,模型E擁有最高的傳熱因子,即最佳的換熱性能,模型D擁有最低的阻力因子,即最佳的阻力性能,模型E擁有最高的TPF,即最優(yōu)的綜合性能,對(duì)于不同的傳熱及壓降設(shè)計(jì)要求,可以選擇不同的散熱翅片。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了不同結(jié)構(gòu)形式散熱翅片的散熱效果、傳熱和阻力性能,得到結(jié)論如下:

(1) 在定風(fēng)機(jī)工況下,綜合考慮齒厚、齒距、打斷等參數(shù)影響,模型A(齒厚1 mm,齒距1.5 mm,無(wú)打斷)對(duì)應(yīng)的熱源溫度最低,擁有最佳的散熱效果。

(2) 隨著雷諾數(shù)變大,各模型傳熱因子、阻力因子、TPF均減小,表明傳熱性能以及綜合性能在降低,阻力性能在提高。

(3) 雷諾數(shù)相同時(shí),綜合考慮齒厚、齒距、打斷等參數(shù)影響,模型E擁有最佳的換熱性能和綜合性能,模型D擁有最佳的阻力性能,對(duì)散熱效果、傳熱和阻力性能要求不同的設(shè)計(jì)場(chǎng)合,可以選用不同的散熱翅片模型。