穿圓形孔翅片對自然對流傳熱的強化研究

(鄭州大學化工與能源學院 鄭州450001)

翅片散熱是工程中常用的一種散熱方式。矩形翅片憑借其結構簡單、制造方便等優點得到了廣泛地應用，在太陽能應用、核反應堆燃料的冷卻、電子元器件降溫和空調等方面起著不可或缺的作用。在此著眼于研究用于大功率LED燈的翅片散熱器。

強化矩形翅片傳熱的途徑有:增大表面和外界環境間的傳熱系數，增大表面的傳熱面積，或兩者同時應用。設置翅片以擴展表面積的方式來強化傳熱是相當普遍的方法。對于翅片外形的優化，已有了大量的研究，例如針形翅片、百葉窗式翅片、鋸齒翅片、開縫翅片、波紋翅片、開孔翅片等等。對于實心的矩形翅片已有大量的實驗和模擬研究，但大多都忽略了輻射對散熱的影響。V Rammohan Rao 和S P Venkateshan[1]實驗性的研究了水平翅片陣列中自然對流和輻射的相互作用。結果表明有不同的參數影響自然對流和輻射換熱，如翅片表面的輻射率、翅片間隙、高度和基底溫度。Senol Bakaya[2]等對水平的翅片組中翅片間距、翅高、翅長以及翅片與周圍環境的溫差對自然對流的影響進行了系統性的理論研究。V Dharma、S V Naidu、B Govinda Rao[3]等和王樂、吳珂[4]等在理論上研究了自然對流和輻射對水平矩形翅片的散熱研究。在開孔翅片的研究當中，Abdullah H AlEssa與Mohamad I Al-Widyan[5]研究了三角形穿孔翅片對自然對流傳熱的強化作用。結果表明穿孔翅片在一定的區域內要優于實心翅片。M R Shaeri[6]等研究了側面開正方形孔翅片的強制對流傳熱。結果表明，新型的開孔翅片具有更高的總傳熱量，并大量地減輕了翅片的重量，節省了材料。曲樂和賈林祥[7]研究了打孔翅片表面性能數值模擬。結果顯示兩種打孔翅片的開孔率對翅片流動阻力性能影響不大。黃鈺期與俞小莉[8]研究了翅片開孔的強化傳熱機理，比較不同開孔方式對流場和溫度場的影響。結果表明，對鋸齒形翅片和波紋形翅片而言，不同的開孔參數和開孔位置對流動與散熱都有不同的影響。對于矩形翅片開圓形孔的研究還不太成熟，為此這里將對開圓形孔的翅片進行研究。研究的目的是:在存在導熱、自然對流換熱及輻射的條件下，研究開圓孔對矩形翅片散熱器散熱功率的影響，以其為高效大功率LED燈的散熱器設計提供依據。論文的主要目標可以概括為:1)研究開孔的相關因素對強化散熱的影響。2)與相應尺寸的實心翅片相比較，確定開孔翅片的最優外形。

1 實驗研究

1.1 翅片散熱器結構

實驗所用的翅片以開9孔的結構為例示意如圖1。實驗時，先進行實心翅片的實驗，以得到翅片散熱功率。再在翅片中央開1個孔進行單孔實驗。然后在其兩側開2個孔，進行3孔實驗。以此類推直至開孔數為9。

圖1 翅片散熱器結構圖Fig.1 Diagram of fi n array structure

1.2 實驗裝置及步驟

實驗裝置如圖2所示。將待測翅片置于靠電熱絲加熱的恒溫基板上，整套裝置置于帶自動溫控系統的恒溫房中，采用Ds18b20數字傳感器測試翅片表面溫度并通過數據采集儀將測試的電壓、電流、溫度等數據轉接至PC機上。實驗中翅片表面散熱功率是通過測量電壓和電流值得到的。

具體的實驗步驟為:先開啟電腦、安捷倫、恒溫房、恒溫熱基板，待恒溫房和恒溫熱基板的溫度穩定后，在翅片底部均勻涂抹導熱硅膠，將翅片迅速放置在恒溫熱基板上，固定翅片表面的熱電阻，適當地調節自耦變壓器使翅片溫度達到穩定。當翅片表面的溫度曲線出現11個完整波形后(即此時翅片表面工況已趨穩定)，結束實驗。

圖2 實驗裝置圖Fig.2 The equipment fi gure of experimentation

1.3 實驗結果

實驗測試不同打孔數下翅片的散熱功率的結果如表1所示。

表1 實驗數據Tab.1 Test data

由表中可知，隨開孔數的增加，散熱功率先隨之增大，當開孔數為7時達到最高，爾后隨開孔數的增大而有所下降。開孔為7的散熱功率較實心翅片散熱功率提高了13.8%，開孔9時則略有下降。這是因為開孔的增加使得翅片中心的熱空氣得以盡快轉移，并及時補入冷空氣，強化了傳熱傳質過程，從而增強了翅片的換熱能力。但當開孔數再繼續增加時，由于翅片金屬的減少，翅片下端的熱量不足以由金屬快速向上端傳導并進一步散失，于是出現了散熱功率隨開孔數較小的趨勢。

2 數值模擬研究

2.1 模型建立

為分析翅片散熱的機理，鑒于計算的物理模型和工況的對稱性，在此采用整翅片散熱器的1/4及其周圍的空氣為模擬對象(如圖3所示)進行數值研究。模型的邊界條件如圖3所示，翅片前端空氣為壓力進口，頂端為壓力出口，模型對稱邊為對稱邊界。翅片結構及周圍區域采用四面體網格，總網格數約為160萬個左右。計算速度壓力耦合采用SIMPLE算法。

圖3 計算模型及邊界條件設定Fig.3 Calculated model and boundary conditions

2.2 模擬假設

為便于數值建模和反映翅片結構的流動換熱性能，特作如下假設:1)氣體(性質)采用了boussinesq假設，即空氣除了密度()外，為常物性；2)整個翅片的底面保持恒溫75℃，環境溫度恒定，為40℃，大氣壓力為101325Pa；3)氣體為穩態不可壓縮的層流流動；4)翅片的材料為Al，是均勻和各向同性的，并且具有常導熱率；5)輻射采用DO模型，其翅片的發射率取0.18。

3 結果分析

3.1 實驗與模擬結果的比較

圖4 實驗與模擬散熱功率隨開孔數的變化Fig.4 Comparison of variation of heat dissipation power with the number of the perforation simulations compared with experimental results

由于數值計算模型結構簡化為原實驗散熱器的1/4，所以與實驗結果對比時要將其散熱功率除以4。實驗與數值模擬結果的比較如圖4所示。從圖中可知，當開孔數為3時，實驗與模擬數值存在最大相對誤差，其值為9.1%。考慮到數值計算所作的假設和實驗測試的相對誤差等因素，可以認為數值模擬方法的可行性。此外，由圖可知，實驗散熱功率和模擬散熱功率隨著翅片開孔數的增加，都呈現出先增加后下降的趨勢，即當開孔數為7時散熱功率達到最大。由此說明在該翅片上開7孔為最優的選擇。

3.2 模擬結果分析

3.2.1 開孔流場分析

為了分析開孔對翅片流動散熱性能的影響，作出了實心翅片和開9孔翅片中央截面上的速度矢量如圖5所示。

圖5 實心翅片與開孔翅片中心截面上速度矢量圖Fig.5 Velocity vectors of center cross section of the solid and perforated fi n

從圖5(a)中可以看出，在翅片的加熱作用下，冷空氣被逐漸預熱密度下降，順著翅片下緣逐漸上升，在實心翅片與空氣接觸的外側，氣流迅速攀升；而內側翅片內則流速較小，氣流速度從下到上漸增，整個截面上速度呈現外高內低的不均勻流動現象。通過圖5(b)可知，開孔有利于了基底附近空氣的流動，使外側冷空氣通過小孔流至內側翅片，利于內部翅片中空氣的流動，從而能更好的將翅片內的熱量帶走。該截面上的流動相較實心翅片則顯得流動更均勻合理。這也說明了開孔翅片具有更高散熱功率的原因。

3.2.2 開孔位置對翅片散熱的影響

表2 散熱功率、平均表面散熱量和平均表面換熱系數隨開孔位置的變化值Tab.2 Variations of heat dissipation power, total surface heat fl ux and surface heat transfer coeff i cient with the location of the perforation

為了研究開孔位置對翅片散熱性能的影響，計算了三種不同開孔高度下的散熱功率值如表2所示。在這三組數據中，開孔數與孔大小是一樣的，即減少翅片表面的面積是一樣的。

由表2可得到，當為實心矩形翅片開孔時，下端開孔的強化散熱效果最好，中部次之，上端最差。之所以出現散熱功率及平均表面散熱量和散熱系數的不同，這是由于翅片下端與外部冷空氣的接觸不夠充分。孔開在下端，加強了冷空氣與翅片間的自然對流散熱。孔的位置越靠上，翅片與冷空氣的接觸越充分，因開孔對翅片造成的冷卻效果不顯著，所以開孔對其翅片散熱的影響越小導致其散熱功率的減少。

3.2.3 開孔大小對翅片散熱的影響

下圖6為在翅片底部開9個孔時，翅片表面的散熱功率隨開孔半徑的變化。在圖中可以看出，當保證孔圓心的間距為16.12mm不變的情況下，翅片表面的散熱功率隨開孔半徑的增大，先增大后減小。在開孔半徑為7mm時達到最大，與實心翅片相比，其散熱功率增加了27.14%。隨開孔半徑的增大，翅片散熱功率先隨之增大，可見并不是由于開孔增加了翅片的表面積，而是因為開孔改善了翅片間距空氣的流動狀態。開孔的半徑越大補入翅片間距的冷空氣越多，強化了翅片的散熱效果。但是當開孔半徑從7mm增大到7.5mm時，所增加的空氣換熱面積效果不足以抵償金屬損失所要帶走的熱量，使翅片表面的面積減小進一步擴大，導致散熱功率的降低。

圖6 散熱功率隨不同的開孔半徑的變化Fig.6 Variations of heat dissipation power with the radius of the holes

3.2.4 開孔形狀對翅片散熱的影響

研究了不同開孔形狀對翅片散熱性能的影響如表3所示。表3為在相同尺寸的翅片上開面積近似相等、不同形狀的孔時，翅片表面的散熱功率、平均散熱量和換熱系數值的變化。由表可以看出，當外部條件相同，開不同形狀的孔時，翅片的散熱功率近似相等。但是有平均表面散熱量和散熱系數可以看出，開圓孔的翅片其散熱效果是最好的，方形孔次之，三角孔最差。

表3 散熱功率、平均表面散熱量和平均表面換熱系數隨開孔形狀的變化值Tab.3 Variations of heat dissipation power, total surface heat fl ux and surface heat transfer coeff i cient with the shape of the perforation

4 結論4

1)通過實驗研究了開孔數對翅片散熱性能的影響，發現當開孔數為7時散熱效果最優，較實心翅片相比可提高散熱功率達13.8%。并將實驗結果與數值模擬進行了對比，兩者之間能較好的吻合，說明采用數值模擬方法的可靠和結果的相對準確性。2)通過研究開圓孔的相關因素對矩形翅片散熱器強化散熱性能的數值模擬，結果顯示:開孔有利于翅片外側內冷空氣流入翅片內側，從而使整個翅片周圍流動更均勻，因而能更好的帶走翅片上的熱量；同時開孔位置也對翅片散熱功率產生顯著影響，下端開孔最好，中部次之，上端最差；翅片的散熱功率隨開孔半徑的增大出現先增大后減小的趨勢，當開孔半徑為7mm時達到最大；通過比較開孔形狀，發現圓孔更有利于翅片內空氣的流動和翅片的散熱。

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