小型軸流散熱風扇出口換熱特性研究

張立，凌晨旸（浙江經貿職業技術學院應用工程系，浙江 杭州 310018）

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小型軸流散熱風扇出口換熱特性研究

張立，凌晨旸
（浙江經貿職業技術學院應用工程系，浙江 杭州 310018）

摘要：以某品牌服務器內小型軸流散熱風扇為研究對象，利用可壓縮氣體控制方程組定性分析了風扇內部不同時刻的溫度場變化趨勢，并引入風扇對流換熱系數，定量分析了風扇內部流場的對流換熱能力。結果表明，渦流的劇烈運動提升了風扇的對流換熱能力；受風扇強制對流驅動的輸入熱源，優先沿端壁傳遞熱量到遠場；在風扇出口輪轂附近存在大量的低溫區，該低溫區的平均溫度比入口熱源溫度要低3℃左右。

關鍵詞：散熱風扇；可壓縮氣體；溫度場；換熱特性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U463Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)03-05-87-03

引言

近些年來,相繼出現了許多不同的散熱冷卻技術,如空氣強迫對流換熱、液體冷卻換熱和相變循環系統等。空氣冷卻具有方便、設備簡單、高可靠度及低成本等特性，所以應用相當廣泛。其中微小型軸流風扇在局部冷卻及快速散熱等方面具有絕對優勢，配合散熱器對高功率電子組件進行冷卻，是解決組件散熱問題的有效途徑。電子組件的散熱過程既存在熱對流過程也存在熱傳導過程，其中熱源通過散熱器傳播熱量的過程以熱傳導為主，通過風扇強制換熱過程以熱對流為主。不少學者圍繞著散熱器的導熱特性開展了一些研究，陸正裕等[1]開展了CPU散熱器換熱特性的實驗研究，結果表明換熱系數主要與來流速度有關，而與加熱功率關系不大。王宏偉等[2]開展了CPU散熱片溫度場模擬分析以及材料和尺寸選擇研究，結果表明采用有限元熱分析技術模擬CPU散熱片換熱過程可行。伊麗娜等[3]運用場協同理論開展了新型CPU散熱器內空氣流動和換熱特性數值研究，結果表明新型打斷翻折型翅片散熱器優于矩形散熱器。袁志燕等[4]采用Ansys軟件數值模擬了電腦散熱片的換熱過程，結果發現散熱片的齒厚和齒間距對其散熱效果影響最大。上述研究主要圍繞著散熱器的熱傳導過程進行展開，有關風扇強制對流的換熱特性目前很少有文獻提及，本文采用可壓縮氣體控制方程組數值模擬了風扇強制對流的溫度場變化過程，分析了風扇熱對流的換熱特性，為小型軸流風扇的換熱特性研究和優化設計提供一定的參考價值。

1、數值模擬

1.1物理模型

本文研究的對象是某品牌服務器內散熱用途的小型軸流風扇，風扇產品型號為YM1201，為12V直流供電，風扇額定轉速均為3000r/m，葉輪外徑為84mm，葉輪厚度為24mm，葉片數為7，葉頂間隙為1.5mm，輪轂比為0.39。其外觀如圖1所示。

圖1　風扇外觀圖

1.2計算區域及計算方法

為了保證計算結果的可信度，計算域的選擇一般應該以風扇所處環境的幾何邊界和物理邊界為依據。

本文所研究的風扇模型在服務器中的位置特點是：入口附近區域比較狹窄，出口附近區域相對寬闊。考慮到風扇內部流動的延續性，可將風扇進、出口延伸段與風扇模型都納入到計算域中，因此風扇模型的計算域可劃分為4個區域：風扇旋轉區、葉頂間隙區、進口延伸區以及出口延伸區。各區域計算域的具體尺寸如圖2所示。

圖2　風扇計算域

本文采用可壓縮氣體控制方程組模擬風扇的換熱過程，具體計算方法分非定常計算和溫度場計算兩步進行開展：（1）在流場的非定常計算中，采用了大渦模擬湍流模型，該模型利用過濾方法把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，大尺度湍流通過直接求解N-S方程，得到大渦漩的流動細節,小尺度湍流利用亞格子模型將其影響施加到大尺度湍流中。（2）溫度場的計算是在流場非定常計算的基礎上通過引入能量方程來進一步完成的。能量方程的表達式如式（1）所示：

在溫度場計算時，進口和出口還需要給定溫度，一般取風扇入口及出口附近的穩態平均實測溫度值，葉輪以及機匣等壁面設定為完全絕熱狀態。氣流的密度不再設定為常數，而是采用理想狀態方程進行求解，如式（3）所示。

2、計算結果及分析

2.1內流的溫度疊加效益

空氣在風扇的內部流動過程中，伴隨著新熱量的產生，新產生的內部熱量對來自電子產品熱源的影響有待明確。圖3顯示了額定流量工況下風扇內部溫度場的定常分布情況。從圖中可知，整個風扇內部溫度場的溫差最大不超過0.2℃。從風扇入口延伸段到出口延伸段，溫度分布總體上呈現逐漸上升的趨勢，其中溫度相對高的區域位于風扇葉頂間隙處，該區域恰好是葉頂渦流活動的區域。在風扇葉片的中下部附近，存在一塊低溫區，該區域是氣體主流通過的區域，主流能夠將熱量帶走，從而使該區域的溫度降低。

圖3　額定流量工況下的風扇內部溫度場分布 [單位：K ]

圖4　額定流量工況下的風扇內部能量場分布 [單位：J ]

圖4顯示了該工況下的風扇內部能量場分布情況。能量尺度取負表示氣體對外界做功和放熱。從圖中可知，風扇內部流場的低能區主要位于風扇葉頂間隙處，該處的溫度最高，說明該區域的能量損失主要以熱量的形式釋放。風扇進口的能量相對較高，出口的能量相對較低，對比圖3中風扇在相同位置的進口溫度相對較低，出口溫度相對較高的結論，可以判定：均勻入流區域以及主流區域，氣體釋放的熱量少，從而使該區域的溫度相對較低，能量損失較少。在渦流等紊流區域，氣體消耗的能量較多，主要以熱量的形式進行釋放，該區域的溫度普遍較高。

2.2不同時刻熱源的變化規律

圖5顯示熱源在不同時刻由于風扇強制換熱導致的溫度場變化趨勢。從圖中可以發現，來自風扇入口附近的大量熱量以對流的方式被風扇傳遞到出口附近，并且首先沿端壁傳遞熱量到遠場。在風扇出口輪轂附近存在大量的低溫區，該低溫區的平均溫度比入口熱源的溫度要低3℃左右，該低溫區的空氣在風扇內部渦流的積極帶動下，以幾乎垂直于葉根的方向逐漸遠離風扇輪轂，并且逐漸發展壯大。

圖5　不同時刻的風扇強制對流換熱溫度場 [單位：K ]

2.3風扇換熱系數

上述溫度場變化特征雖然很直觀，但無法定量的反映風扇的對流換熱能力。本文引入對流換熱系數，其計算公式沿用牛頓冷卻定律，表達式為：

式中，Q表示單位時間內的對流換熱量，α表示對流換熱系數，S表示對流面積，TW及TF分別表示風扇進出口附近的平均溫度。α與對流換熱過程中的空氣流動起因、狀態、物性以及換熱表面形狀有很大關系。為了更直觀反映α與影響因素之間的關系，將式（4）用經驗準數關聯式來確定兩者之間的關系，如式（5）所示。

圖6顯示了對流換熱系數在不同軸向截面位置的分布情況，從圖中可以發現，風扇的對流換熱系數隨著軸向距離的增加呈現逐漸增大的過程，其值從21.34到22.52之間變化。當軸向位置為35mm處時，對流換熱系數出現了一個極大值21.83，與附近左右兩個極小值的差值分別為0.49和0.1。通過對風扇內部流場分析，發現，軸向位置為35mm處恰好是渦流劇烈活動區域，這說明渦流的劇烈運動提升了風扇在該位置的對流換熱能力。

圖6　風扇對流換熱系數隨軸向位置的變化曲線

3、結論

通過分析電子產品熱源在小型軸流風扇的熱對流過程，得到如下結論：

（1）僅僅由于風扇內部渦流等二次流的運動導致風扇內部溫度場的變化很小，最大溫差不超過0.2℃，并且從風扇入口延伸段到出口延伸段，溫度相對高的區域位于風扇葉頂間隙處；位于葉頂間隙區域的低能區隨著時間的變化，主要影響區域變化不大。

（2）受風扇強制對流驅動的輸入熱源，優先沿端壁傳遞熱量到遠場；在風扇出口輪轂附近存在大量的低溫區，該低溫區的平均溫度比入口熱源的溫度要低3℃左右，并且該低溫區隨著時間變化以幾乎垂直于葉根的方向逐漸遠離風扇輪轂，并且逐漸發展壯大，低溫區的平均溫度與入口熱源的溫度差逐漸增大，最終融入到風扇遠場的低溫區。

參考文獻

[1]陸正裕,熊建銀,屈治國等.CPU散熱器換熱特性的實驗研究[J].工程熱物理學報,2004,25(5):862-864.

[2]王宏偉,葛增杰,顧元憲等.CPU散熱片溫度場模擬分析及其材料和尺寸選擇的研究[J].計算力學學報,2003,20（6）:725-728.

[3]伊麗娜,鄭文龍,王博杰,王文.新型CPU散熱器內空氣流動與換熱特性的數值研究[J].制冷技術,2015，35(1):36-39.

[4]袁志燕,鐘建華.電腦散熱片換熱過程數值模擬分析[J].上海有色金屬,2015,36(1):29-33.

Study on outlet heat transfer characteristics of small axial cooling fan

Zhang Li, Ling Chengyang
（Department of Application & Engineering, Zhejiang Economic & Trade Polytechnical, Zhejiang Hangzhou 310018）

Abstract:The small axial flow fans used in a certain server for heat dissipating are selected as the research object, and the compressible gas control equations are used to analyze qualitatively the trends of temperature field inside fans at different time. The convection heat transfer coefficient of the fans is introduced to analyze quantitatively the convective heat transfer capacity of fan internal flow field. The results show that vigorous exercise vortex enhance the convective heat transfer capacity of the fan. The input heat source driven by forced convection from fans spreads heat to the far field priority along the end wall. There are a lot of low-temperature region near the outlet of the fan hub, and the average temperature of the above low temperature region is lower about 3 ℃ than that of the inlet temperature.

Keywords:fan for heat dissipating; the compressible gas; temperature field; heat transfer capacity

中圖分類號：U463

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-87-03

作者簡介：張立，就職于浙江經貿職業技術學院。汽車專業專任教師，主要從事小型風機的散熱及降噪研究。基金項目：本項目受省教育廳2015年一般科研項目（編號Y201534443）、2015年度省大學生科技創新活動（新苗計劃）項目（編號2015R443005）等資助。