一种新型叉排直肋表面的流阻及换热性能研究_王康.pdf

94环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT摘要：本文研究了新型变截面叉排直肋结构的流阻与换热性能。采用数值模拟技术研究了变截面及另外两组对比组，并建立了雷诺数与努塞尔数、进出口压差、传热因子 j 和摩擦因子 f 之间的关系图。最终从数值模拟的结果可以计算出，在雷诺数为 600 时，变截面肋片的传热因子 j 比普通叉排直肋高约 23.5%，比翼型叉排直肋也高出约 14.4%；同时普通叉排直肋的摩擦因子 f 比变截面叉排直肋高约 197.7%，翼型叉排直肋也比变截面叉排直肋高约 31.2%。相对于普通叉排直肋肋片，翼型叉排直肋和变截面叉排直肋能在有效提高散热效率的情况下，大幅减小压降，并且变截面叉排直肋的换热性能比翼型叉排直肋更好，压降也更低。在航空飞机等需要高换热性能和低压降时，可以优先使用变截面叉排直肋。关键词：电子器件；强迫风冷；变截面叉排直肋；换热性能；压降；数值模拟中图分类号：TK414 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0094-07一种新型叉排直肋表面的流阻及换热性能研究Research on Thermal and Hydraculic Performance of A New Air Dynamical Variable Cross-Section Rectangular Offset Strip Fin王康1，熊长武2，杜平安1，胡家渝2（1.电子科技大学，成都 610097；2.西南电子技术研究所，成都 610036）WANG Kang1,XIONG Chang-wu2,DU Ping-an1,HU Jia-yu2(1.University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610097;2.Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036)A b s t r a c t：To explore the flow resistance and heat transfer performance of the new variable cross-section rectangular offset strip fin structure.The new variable cross-section rectangular offset strip fin and two other comparison groups were studied by numerical simulation technology,and the relationship between Reynolds number and Nusselt number,inlet and outlet pressure difference,heat transfer factor j and friction factor f was established.The experimental results show that when the Reynolds number is 600,the heat transfer factor j of variable cross-section fins is about 23.5%higher than that of ordinary rectangular offset strip fins,and about 14.4%higher than that of airfoil rectangular offset strip fins.At the same time,the friction factor f of ordinary rectangular offset strip fins is about 197.7%higher than that of variable cross-section fins,and the height of airfoil rectangular offset strip fins is about 31.2%higher than that of variable cross-section fins.Compared with ordinary rectangular offset strip fins,airfoil rectangular offset strip fins and variable cross-section fins can greatly reduce the pressure drop while effectively improving the heat dissipation efficiency,and the heat exchange performance of variable cross-section fins is better than that of airfoil rectangular offset strip fins,and the pressure drop is also lower.When high heat transfer performance and low pressure drop are required,variable cross-section fins can be preferred.K e y w o r d s：electronics;forced air cooling;variable cross-section fin;heat transfer performance;pressure drop;numerical simulation952023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏引言在正常工作期间，电子器件产生的热量必须消散到热沉，以防止结温超过其设计工作温度，从而导致性能抑制或可靠性下降 1，自然散热和强迫风冷散热目前仍是最常见并且也是最经济适用的冷却形式，优化散热器的目的是提高散热效率，提高效率的重点就是提高散热器的换热系数同时降低流动阻力，追求轻量化和小型化。对于风冷散热器来说可以采用提高湍流程度和增加换热面积来实现强化传热。采用传统的强化传热技术，如在通道加热面上使用各类变形肋片、多孔介质等措施都会导致流阻增加，从而降低了综合性能。而增加表面积同时也增加了材料消耗量和加工复杂程度，使得成本增加，同时由于肋片的厚度通常比较薄，顶部的换热能力不佳，肋效率低。尤其是在航空飞机在高空时，飞行器所处环境温度低，为了节约泵功耗，飞机的供气量一般比较小，多数情况处于层流状态，所以急需一种高换热系数低流阻的散热器。已有研究使用了多种肋片形式来实现高传热率。在早期的两项研究 2,3 中，已经证明了在特定的热交换器容积内，叉排直肋散热片是提高传热速率的最有效的方法。虽然通常叉排直肋散热片的特点是比其他散热片具有更高的压降，但是如果能对肋片的几何形状和布置进行适当选择，叉排直肋散热片的性能总是要高于其他形式的散热片。为了降低流动阻力，在过去的五十年中，已经研究了各种形状的空气动力肋阵列。空气动力肋设计有各种形状的横截面，例如圆形 4 、椭圆形 5 、水滴形 6、菱形 7 甚至方形 8 设计。同时 O c t a v i o A.L e o n 9 等对叉排形式的空气动力肋形进行了研究，该文研究了三种肋形即：顺排方形，叉排方形，叉排圆角方形进行了比较。他们还在文献 1 0 中使用 F L U E N T为工具，使用数值模拟技术得出了在 R e 数大于或等于 8 0 0 时使用空气动力肋形的优越性。也有对翼型肋片的相关研究，刘佳鑫 1 1 等人使用数值模拟技术讨论对比了 N A C A 0 0 1 2、N A C A 0 0 1 8 和 N A C A 0 0 2 1 这三种翼型截面的肋片。结果表面，与 N A C A 0 0 1 8 相比，N A C A 0 0 2 1 的换热系数和流阻更高，N A C A 0 0 1 2 则略低。程亮 1 2 等人利用 F l u e n t，使用数值模拟的手段在相同工况情况下对翼型肋片进行数值模拟分析，并建立实验对仿真进行验证。结果表明翼型种类和翼型方案对压力损失与换热系数的影响较大；刘晨 1 3 等人也利用数值模拟和正交实验设计的方法研究了不同排布方式的翼型肋片在微通道中的表现，并总结了 N u 与 f 因子的经验关系式。实验结果表明，数值模拟技术是研究肋片换热性能的一种有效方法。因为缺乏廉价的可变截面肋的制造技术，之前对叉排直肋的研究集中在等截面叉排直肋上。直到最近，也只有 Y.C o r m i e r 1 4-1 6 等人使用冷喷技术研究了金字塔形的强化表面，缺少对变截面叉排直肋的研究。增材制造技术的进步也使得结构复杂的散热器可以通过增材制造手段得以实现。于是本文设计了一种变截面叉排直肋，并与两组对比组一同进行了数值模拟实验。对比数值模拟的结果可以看出不同叉排直肋的流阻和换热性能的关系，也为变截面叉排直肋的设计与优化提供一种新的参考。1 模型建立及理论分析1.1物理模型众所周知，航空机翼型具有较低的阻力特征，于是考虑采用对称翼型作为肋片截面形状，根据刘佳鑫 1 1 等人的研究发现，N A C A 0 0 1 8 的截面形状具有较为适中的换热系数和流阻。本文也采用 N A C A 0 0 1 8 作为翼型叉排直肋和变截面叉排直肋的截面形状进行研究。散热肋片具体使用情况如图 1 所示，该模型是来自一个风冷冷板散热器模型，该散热器的顶部和左右两侧壁面为绝热壁面，散热器底部为一均匀的加热面。流体从右侧流入左侧流出，将热量带出。该冷板散热器基底厚度选择为 3 m m，基底长为 3 4 0 m m，肋高为 7 m m，肋间水平距为 3 m m，肋间竖直距为 7 m m，肋上顶面长为 7 m m，图 1 散热板整体模型96环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT肋下底面长为 1 0 m m，肋上下面其余尺寸根据以下公式得出。（1）式中：y 轮廓的纵坐标；t 最大轮廓厚度占弦长的百分比；x 与轮廓弦重合的横轴，同时肋片采用叉排的排布方式。为了给比较提供一个公平且有物理意义的基础，三种肋的最大外形尺寸相同，肋的细节图如图 2 所示。此外热边界条件和流体性质也相同，以便评估不同叉排直肋横截面的相对优势。1.2 理论分析1.2.1 物理假设为模拟通道内气体的流动与固体传热情况，对计算做如下假设：1）空气是不可压缩流，空气物性为常数；2）整个计算为稳态；3）空气流动状态为层流；4）入口的空气均匀分布；5）固体材料物性参数设为常数。1.2.2 控制方程为了更好的模拟各种热和流体流动问题而开发的所有数值代码的基本特征包括描述给定问题的控制方程的离散化和所得有限差分方程的解。对于对流传热问题的模拟，控制方程包括连续性方程、动量方程和热能方程。本计算是针对叉排直肋阵列上的三维空气层流进行的。对于不可压缩流体中的稳态流动和稳态传热，控制方程采用以下形式：连续方程：()0iiUx=（2）动量方程：jijiijiUPUxxx=+（3）对于牛顿流体：23jikijijjikUUUxxx=+|（4）能量方程：2ffvf2iiiijiiijUUTTc UkPxxxx=（5）式中：Ui速度分量，其坐标为 xi；Tf流体温度；P 流体压力；kf流体热导率。i，j，k=1，2，3。能量微分方程对固体区域仍是适用的，只是固体区域内能量方程中包含速度项均为零。上述模型是肋片内部导热与流体区域之间的一个耦合的传热问题，利用有限体积法进行耦合求解 1 7。1.2.3 初边界条件1）初始条件本文计算模型是一