风冷散热翅片阻力及传热特性的参数化数值研究.pdf

收稿日期:2 0 2 2 0 9 2 7风冷散热翅片阻力及传热特性的参数化数值研究张方驹,刘 禹,范鹏杰,方 堃,常 伟(中国船舶集团有限公司第七二三研究所,江苏 扬州 2 2 5 1 0 1)摘要:基于齿形、齿距、齿厚等结构参数,对风冷散热翅片阻力及传热特性进行数值研究。研究表明:定风机工况下,翅片参数为齿距1.5 mm、齿厚1 mm、无打断时,散热效果最优。随着雷诺数增加,各组翅片传热因子、阻力因子、热性能因子(T P F)均减小,表明传热性能以及综合性能降低,阻力性能提高。雷诺数相同时,翅片参数为齿距2 mm、齿厚1 mm,无打断时拥有最佳的换热性能和综合性能;翅片参数为齿距1 mm、齿厚1 mm、无打断时拥有最佳的阻力性能。对散热效果、传热和阻力性能要求不同的设计场合,可以选用不同的散热翅片结构。关键词:风冷翅片;传热因子;阻力因子;热性能因子中图分类号:T K 1 7 2文献标识码:B文章编号:C N 3 2-1 4 1 3(2 0 2 3)0 4-0 1 0 7-0 5D O I:1 0.1 6 4 2 6/j.c n k i.j c d z d k.2 0 2 3.0 4.0 2 4P a r a m e t r i c N u m e r i c a l S t u d y o f R e s i s t a n c e a n dH e a t T r a n s f e r C h a r a c t e r i s t i c s o f A i r C o o l i n g F i n s Z HANG F a n g j u,L I U Y u,F AN P e n g j i e,F ANG K u n,CHANG W e i(T h e 7 2 3 I n s t i t u t e o f C S S C,Y a n g z h o u 2 2 5 1 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e d o n t h e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o f f i n s h a p e,f i n p i t c h a n d f i n t h i c k n e s s,e t c.,t h i s p a-p e r p e r f o r m s a n u m e r i c a l s t u d y t o t h e r e s i s t a n c e a n d h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s o f a i r c o o l i n g f i n s.T h e s t u d y s h o w s t h a t:w i t h a s l e c t e d f a n,t h e f i n s w i t h f i n p i t c h e q u a l i n g 1.5 mm,f i n t h i c k-n e s s e q u a l i n g 1 mm,n o f i n b r e a k,h a v e t h e b e s t c o o l i n g e f f e c t.W i t h t h e i n c r e a s e o f R e y n o l d s n u m-b e r,h e a t t r a n s f e r f a c t o r,r e s i s t a n c e f a c t o r a n d t h e r m a l p e r f o r m a n c e f a c t o r(T P F)w i l l d e c r e a s e,w h i c h i n d i c a t e s t h a t f i n s h e a t t r a n s f e r p e r f o r m a n c e a n d o v e r a l l p e r f o r m a n c e d e c r e a s e w h i l e f i n s r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e i s i n c r e a s e d.W i t h a c o n s t a n t R e y n o l d s n u m b e r,t h e f i n s w i t h f i n p i t c h e q u a-l i n g 2 mm,f i n t h i c k n e s s e q u a l i n g 1 mm,n o f i n b r e a k,h a v e t h e b e s t h e a t t r a n s f e r p e r f o r m a n c e a n d o v e r a l l p e r f o r m a n c e.Wh i l e t h e f i n s w i t h f i n p i t c h e q u a l i n g 1 mm,f i n t h i c k n e s s e q u a l i n g 1 mm,n o f i n b r e a k,h a v e t h e b e s t r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e.D i f f e r e n t f i n s t r u c t u r e s c a n b e s e l e c t e d f o r d i f f e r e n t d e s i g n s i t u a t i o n s r e q u i r i n g d i f f e r e n t h e a t d i s s i p a t i o n e f f e c t,h e a t t r a n s f e r a n d r e s i s t a n c e p e r f o r m-a n c e.K e y w o r d s:a i r c o o l i n g f i n;h e a t t r a n s f e r f a c t o r;r e s i s t a n c e f a c t o r;t h e r m a l p e r f o r m a n c e f a c t o r0 引 言随着半导体技术的发展,机载电子设备不断趋于体积微型化和功能多样化,但随之而来的是电子器件热流密度过大、局部温度过高等一系列问题。据统计,5 5%的电子器件失效原因是温度超出了规定阀值1,且随着温度的升高,电子器件的失效率呈指数增长2。因此,热设计是电子设备设计中非常重要的环节。机载设备通常对体积、重量要求严格,因此大多采用风冷的散热方式,以充分利用高空的低温空气。风冷散热通常利用肋壁(翅片)来增加散热面积,以强化换热。英国马尔斯顿艾克谢尔瑟公司1 9 3 0年就在板式换热器的基础上增加翅片,用作航2 0 2 3年8月舰 船 电 子 对 抗A u g.2 0 2 3第4 6卷第4期S H I P B OA R D E L E C T R ON I C C OUN T E RME A S UR EV o l.4 6 N o.4空发动机的散热器3;张笑凡等进行了机载大长宽比风冷均温板翅片的优化设计4;郭建忠等通过仿真研究了变角 度翅片结 构对散 热 性 能 的 影 响 分析5;施兴兴等研究了翅片间距对传热与阻力特性影响的试验研究6;W a n g等通过大量试验研究了不同翅片结构参数对换热与阻力特性的影响7-9。本文基于某小型机载雷达热设计与热仿真,对风冷散热翅片的齿形、齿距、齿厚等不同结构参数对散热效果的影响进行研究与分析,为此类热设计提供参考和依据。1 模型的建立1.1 物理模型某小型机载雷达发射/接收(T/R)组件设计简化结构如图1所示。外形尺寸为2 1 0 mm9 2 mm9.5 mm,热源发热量为1 6 8 W,热流密度达6 0 W/c m2。热源两边为翅片,增加散热面积,底板厚3.5 mm,做成均热板以增强二维热扩散能力。T/R组件共1 6组,依次排列,通过散热翅片形成风道。图1 T/R组件结构简图对于给定高度的散热翅片,定义翅片几何参数如图2所示。图中t为齿厚,s为齿距,d为打断,其它参数齿高为6mm。图2 翅片几何参数为研究齿形、齿距、齿厚的不同对热源散热的影响,根据实际情况确定研究的变化因子与变化水平,如表1所示。根据正交设计表1 0L934,并结合实际情况对变化因子与变化水平进行安排研究,如表2所示。表1 变化因子水平表水平因子t/mms/mmd/次数111021.51.513222表2 参数研究安排表因子ABCDEFGt/mm111111.52s/mm1.51.51.5121.51.5d/次数0120000 工程实际中,风冷散热通常是给定风机型号,因此研究选取某型国产风机来提供冷风,如图3所示。根据调节转速的不同,共有3条风量风压特性曲线。风机外形尺寸为5 0 mm5 0 mm2 8 mm,上下2组风机,每组3个,共6个风机。海平面空气温度为1 5。图3 风量风压特性曲线1.2 数据处理根据传热学原理,系统换热量:Q=ca i rma i r(To u t-Ti n)=h A(Tw-Tf)(1)式中:Q为系统换热量,由热源发热量可知;ca i r为定性温度下的空气比热;ma i r为空气质量流量;To u t为空气出口温度;Ti n为空气进口温度;h为对流换热系数;A为总换热面积;Tw为壁面温度;Tf为空气温度。均热板理论导热系数达2 0 0 0 0 W/(mK),实际导热系数也可达3 0 0 0 W/(mK),底板温差较小,且翅片高度较低,因此假定均热板平均温度为Tw,空气进出口平均温度为Tf。由此可得努塞尔数Nu:801舰 船 电 子 对 抗第4 6卷 Nu=QA(Tw-Tf)d(2)式中:d为当量直径,d=4Vf r e e/Aw e t,Vf r e e为翅片内空气自由流通的体积,Aw e t为翅片内空气自由流通的湿润面积;为流体导热系数。代表传热性能的传热因子j计算公式为1 1:j=NuPr1/3Re(3)式中:Pr为普朗特数;Re为雷诺数。代表阻力性能的摩擦因子f计算公式为1 1:f=d4Lp(1/2mw2)(4)式中:d为当量直径;L为翅片长度;p为空气压降;m为定性温度下空气的密度;w为空气的平均流速。对于强化换热表面,努塞尔数越大,摩擦因子越小,换热性能越优越。在众多不同的强化换热表面中,应选择一种既能强化换热,又不会引起较大摩擦损失的表面。因此,选择一种判断表面综合性能的标准十分关键。S h a h1 2提出强化表面换热品质的评价标准,即热性能因子(T P F),翅片的T P F值越大,综合性能越好:FT P F=Nu/f1/3(5)2 仿真结果分析2.1 各模型散热效果对比分析选取3种风机作为工况边界条件,通过仿真计算,得到模型A、B、C、D、E、F、G 7种结构形式翅片对应的热源温度T/、风量V/m3h-1和压降P/P a,数据整理如表3所示。表3 3种工况下各模型参数表参数模型风机1风机2风机3TVPTVPTVPA8 4.03 6.61 7 57 6.84 6.82 5 86 8.47 0.63 9 7B8 6.23 2.41 8 07 7.94 3.62 6 77 0.26 1.94 0 0C8 8.72 9.51 8 67 9.84 0.02 7 57 2.35 4.44 1 4D1 0 9.51 7.62 6 88 8.82 5.93 5 17 2.24 1.84 9 9E8 6.44 0.31 6 77 9.75 2.62 1 87 0.28 1.73 3 0F9 1.12 8.41 8 68 0.34 0.02 7 57 2.05 6.94 0 8G9 7.92 4.82 0 18 4.73 6.42 8 47 5.95 1.14 2 2 热源温度的高低反映了不同结构形式翅片的散热效果,热源温度越高,散热效果越差,图4直观地显示了7种不同形式的翅片所对应的热源温度。图4 各模型散热效果对比选用模型A作为对照组,分别与其它6组模型进行对比。比较模型A、模型B、模型C 3组数据可知,齿距、齿厚不变,随着翅片打断的增多,热源温度逐渐升高,原因是翅片的打断虽然增强了空气流动时的紊流,能够增强换热,但是流阻增加,导致风机送风量减少,综合作用下翅片散热效果降低。比较模型A、模型D、模型E 3组数据可知,齿厚、打断不变,当齿距由1.5 mm减小为1 mm时,热源温度升高,齿距的减小虽然增加了二次换热面积,但是有效流通截面积减小,摩擦增大,流阻增加,导致风机送风量减小,综合作用下翅片散热效果降低;当齿距由1.5 mm增大到2 mm时,热源温度升高,齿距的增加虽然加大了有效流通截面积,减小了摩擦,风机送风量增加,但是二次换热面积减小,综合作用下翅片散热效果同样降低,1.5 mm的齿距换热效果最优。比较模型A、模型F、模型G 3组数据可知,齿距、打断不变时,随着齿厚从1 mm增加到2 mm,热源温度逐渐升高,齿厚的增加减小了有效流通截面积,流901第4期张方驹,等:风冷散热翅片阻力及传热特性的参数化数值研究阻增加,风机送风量减小,且二次换热面积同时减小,因此散热效果降低。值得关注的是,随着风机转速的增加,模型D的散热效果提升很快,原因是随着风机风压和风量的增大,截面积减小导致流阻增加对散热效果的影响越来越小,二次换热面积增加对散热效果的影响越来越大,当风机风量风压足够大时,模型D也能达到较高的散热效果。由分析可知,在选定风机的工况下,翅片的打断降低了翅片的散热效果,选择无打断的翅片散热效果最优;翅片的疏密对散热效果的影响很大,选择合适的齿距才能达到最佳的散热效果;齿厚的增加不仅增加了流阻,而且减小了二次换热面积,因此选择更薄的翅片能得到更优的散热效果,综合对比下,模型A(齿厚1 mm、齿距1.5 mm、无打断)拥有最佳的散热效果。2.2 各模型综合性能对比分析对散热翅片的性能评价,不是散热效果越高越好,也要综合考虑散热翅片对强化换热的增强作用,以及对来流气体的阻碍作用,因此选用综合性能评价因子T P F对各模型进行评价。图5给出了各模型传热因子、阻力因子、T P F随雷诺数的变化趋势。从图5(a)中可以看出,随着雷诺数变大,各模型传热因子均减小,强化换热效果逐渐降低;从图5(b)中可以看出,随着雷诺数变大,各模型阻力因子均减小,阻力性能逐渐提升;从图5(c)中可以看出,随着雷诺数变大,各模型综合性能评价因子T P F均减小,综合性能逐渐降低。同雷诺数下,模型A、模型B、模型C的传热因子与阻力因子逐渐增加,原因是翅片的打断增加了空气湍流,增强了换热效果,同时也增加了流动阻力,三者中模型A拥有最佳的综合性能;同雷诺数下,模型D、模型A、模型E的传热因子与阻力因子逐渐增加,原因是大齿距对应更大的当量直径,空气流速较低,低流速时换热更加充分,同时流动边界层更厚,流动损失更大,三者中模型E拥有最佳的综合性能;同雷诺数下,模型A、模型F、模型G拥有相同的流速和齿形,因此传热因子、阻力因子、综合性能均相同。综合对比7种模型,模型E拥有最高的传热因子,即最佳的换热性能,模型D拥有最低的阻力因子,即最佳的阻力性能,模型E拥有最高的T P F,即最优的综合性能,对于不同的传热及压降设计要求,可以选择不同的散热翅片。图5 各模型综合性能对比3 结束语本文研究了不同结构形式散热翅片的散热效果、传热和阻力性能,得到结论如下:(1)在定风机工况下,综合考虑齿厚、齿距、打断等参数影响,模型A(齿厚1 mm,齿距1.5 mm,无打断)对应 的热源温度 最低,拥 有 最 佳 的 散 热011舰 船 电 子 对 抗第4 6卷 效果。(2)随着雷诺数变大,各模型传热因子、阻力因子、T P F均减小,表明传热性能以及综合性能在降低,阻力性能在提高。(3)雷诺数相同时,综合考虑齿厚、齿距、打断等参数影响,模型E拥有最佳的换热性能和综合性能,模型D拥有最佳的阻力性能,对散热效果、传热和阻力性能要求不同的设计场合,可以选用不同的散热翅片模型。参考文献1 钱俊锋,章云峰.基于热分析的电子器件可靠性探讨J.微计算机信息,2 0 0 5,2 1(3 2):1 6 1 1 6 3.2 张笑凡,邹吾松,陈泽彪.机载大长宽比风冷均温冷板优化设计J.电子机械工程,2 0 1 8,3 4(6):3 6 3 8.3 郭建忠,吴佳锦,张麒麟,等.变角度翅片结构对散热器性能的影响分析J.现代制造工程,2 0 1 9(3):1 5.4 施兴兴,袁益超.单向开缝翅片管换热器传热与阻力特性试验研究J.制冷技术,2 0 1 9,4 7(7):8 7 9 1.5 WANG C C,T AO W H,CHAN G C J.A n i n v e s t i g a-t i o n o f t h e a i r s i d e p e r f o r m a n c e o f t h e s l i t a n d t u b e h e a t e x c h a n g e sJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f R e f r i g e r a t i o n,1 9 9 9,2 2(8):5 9 5 6 0 3.6 D U Y J,WAN G C C.A n e x p e r i m e n t a l s t u d y o f t h e a i r s i d e p e r f o r m a n c e o f t h e s u p e r s l i t f i n-a n d-t u b e h e a t e x c h a n g e r sJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f H e a t a n d M a s s T r a n s f e r,2 0 0 0,4 3(2 4):4 4 7 5 4 4 8 2.7 WANG C C,L E E W S,S HE N W J.A c o m p a r a t i v e s t u d y o f c o m p a c t e n h a n c e d f i n-a n d-t u b e h e a t e x c h a n g-e r sJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f H e a t a n d M a s s T r a n s-f e r,2 0 0 1,4 4(1 8):3 3 6 5 3 5 7 3.8 S AHA A K,A CHA R YA S.P a r a m e t r i c s t u d y o f u n-s t e a d y f l o w a n d h e a t t r a n s f e r i n a p i n f i n h e a t e x c h a n g-e rJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f H e a t a n d M a s s T r a n s-f e r,2 0 0 3:4 6(2 0):3 8 1 5 3 8 3 0.9 丁连芬,蔡金涛.电子设备可靠性热设计手册M.北京:电子工业出版社,1 9 8 9.1 0王松 汉.板 翅 式 换 热 器 M.北 京:化 学 工 业 出 版社,1 9 8 4.1 1J I N L C.O r t h o g o n a l D e s i g n a n d M u l t i p l e I n d i c t o r A-n a l y s i sM.B e i j i n g:C h i n a R a i l w a y P r e s s,1 9 8 8.1 2KAY S W M,L ON D ON A L.C o m p a c t H e a t E x c h a n g-e r sM.N e w Y o r k:M c G r a w-H i l l,1 9 9 7.(上接第1 0 6页)所受的主要载荷及轴系精度,利用有限元分析软件对天线座进行模态分析,提取前四阶模态并与试验结果进行对比。结果表明:试验与仿真间的误差小,验证了有限元模型仿真的准确性,以及有限元分析在降低研发成本方面的必要性和可行性。该天线座精度高,稳定性强,可靠性高,满足系统指标要求。参考文献1 皇甫一江,杨永毅,黄鹏 刚.舰 载火 控雷 达发 展 研究J.现代导航,2 0 1 4,5(4):3 1 0 3 1 2.2 金永明.舰载火控雷达的发展J.现代导航,2 0 1 5,6(2):1 5 3 1 5 6.3 杨英.某舰载火控雷达信息处理软件的 设计 与 实现D.西安:西安电子科技大学,2 0 1 7.4 张力.天线座结构设计与轴系精度分析D.西安:西安电子科技大学,2 0 1 2.5 周雷.场监雷达天线座关键技术研究J.电子机械工程,2 0 1 7(5):1 2 1 6.6 杨钊.某雷达天线座结构分析与设计D.西安:西安电子科技大学,2 0 1 3.7 周晨龙,余涛.某型号舰载三坐标雷达方位转台的设计J.火控雷达技术,2 0 1 7,4 6(1):6 0 6 3.8 房建斌.基于协同优化的某雷达天线座结构优化设计J.火控雷达技术,2 0 2 1,5 0(3):8 5 8 9,1 0 0.9 乔山林.机载雷达天线座模态分析与试验研究D.南京:南京理工大学,2 0 1 1.1 0张小安,张艳.天线座结构的试验模态与理论模态的分析比较J.电子机械工程,2 0 0 5,2 1(1):3 7 4 0.1 1邹广平,程贺章.金属橡胶减振器随机振动有限元仿真J.中国机械工程,2 0 1 6,2 7(1 4):1 9 6 0 1 9 6 3,1 9 8 1.1 2王飞朝.试验模态分析在雷达结构中的典型应用J.火控雷达技术,2 0 0 6,3 5(3):2 1 4 2 1 6.111第4期张方驹,等:风冷散热翅片阻力及传热特性的参数化数值研究