翅片厚度對散熱器散熱性能影響分析

鄭明強

摘要：本文采用Fluent軟件，在不同的空氣工況下，對三組不同的散熱器翅片厚度進行模擬仿真計算，得到不同厚度下翅片的溫度及換熱系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，在相同的空氣工況下，翅片厚度等于0.16mm時，翅片換熱系數(shù)最大，傳熱最好，綜合性能最優(yōu)。這為散熱帶翅片的優(yōu)化提供相應(yīng)的參考。

關(guān)鍵詞：散熱器;翅片;換熱系數(shù);綜合性能

中圖分類號：TK124? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0073-02

0? 引言

汽散熱器是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的重要部分，使發(fā)動機在所有工況下的工作溫度都在一定的允許范圍內(nèi)。其性能對發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性、換熱性能有重要的影響。

本研究對不同厚度的散熱器翅片進行研究。國外學者利用FLUENT對散熱器的散熱性能分析計算，與之企業(yè)的風洞試驗平臺試驗數(shù)據(jù)對比，其數(shù)值模擬值與試驗值之間的誤差很小，其在實際工程允許的范圍內(nèi)，符合工程要求，這同時驗證了CFD方法模擬散熱器的流動換熱的可行性。

國內(nèi)學者將將散熱器的數(shù)值模擬的整體仿真分析結(jié)果與其試驗結(jié)果進行了分析研究，驗證了CFD方法對散熱器整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化是可行的。同時，利用CFD方法，通過模擬百葉窗翅片，利用最小二乘法擬合出分析散熱器整體的參數(shù)，進而模擬出散熱器整體的流動換熱結(jié)果，這對散熱器的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

本文利用CFD軟件，對散熱器的不同厚度的百葉窗翅片進行換熱系數(shù)計算，比較3組厚度在相同工況下的換熱系數(shù)情況，得出散熱效果相對較好的厚度參數(shù)，對翅片的優(yōu)化提供一定的設(shè)計參考。

1? 計算條件

1.1 幾何模型

散熱帶翅片數(shù)量較大，同時，其呈對稱及周期分布，當前計算機性能不能滿足分析散熱器整體，故只需研究一個翅片單元（圖1所示）的流動換熱情況，進而分析其換熱性能，其幾何參數(shù)如表1所示。

1.2 材料參數(shù)

翅片材料為材料庫中的鋁材，冷流體為空氣。其物性參數(shù)如表2所示。

1.3 控制方程

本研究利用以下3個控制方程進行分析：

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

1.4 邊界條件

邊界條件如下，如圖2所示。

①壁面設(shè)為恒溫壁面。②進口設(shè)為溫度入口及質(zhì)量流量入口。③出口設(shè)為壓力出口。④上下面設(shè)為周期邊界條件。⑤右端表面為對稱邊界。⑥未設(shè)置的壁面均設(shè)置為絕熱壁面，如圖3所示。

根據(jù)3組不同的翅片厚度，通過FLUENT軟件建立三組不同的數(shù)值模擬計算模型，在6種（2m/s，4m/s，6m/s，8m/s，10m/s，12m/s）不同的空氣工況下進行CFD模擬分析計算。

2? 仿真分析

在翅片其他的物性參數(shù)不變的情況下，本文選用厚度為0.16mm、0.18mm、0.2mm，利用FLUENT軟件，對其在6種不同的空氣工況下進行數(shù)值模擬計算，獲得了三組不同翅片厚度的溫度云圖，得出相應(yīng)的換熱系數(shù)，進而對不同厚度翅片的散熱性能進行分析。

圖3至圖5為在工況12m/s下的翅片溫度云圖。由圖可知，翅片厚度的不斷增加，冷流體在翅片間的流量不斷減小，進而造成翅片的散熱性能不斷地減弱。

雖然厚度越薄的散熱翅片，散熱效果也較優(yōu)，但受散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，其翅片的厚度也不能太小。因此，為保證散熱器整體結(jié)構(gòu)的可靠、牢固，在設(shè)計散熱器時，因選擇符合實際設(shè)計要求的翅片厚度，本數(shù)值模擬值為設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

比較相同空氣工況下的不同厚度翅片的換熱系數(shù)可知（見圖6），厚度不斷增大，翅片的換熱系數(shù)逐漸減小，翅片厚度為0.16mm時，其換熱系數(shù)比翅片厚度為0.18mm時，其換熱系數(shù)要高，最大值為2.32%，最小值為0.53%。對比厚度為0.2mm時，換熱系數(shù)值也大幅增大，最大值為8.71%，最小值為1.35%。

厚度的不斷增大，其換熱性能逐漸減弱，這是因為當厚度逐漸增大，冷流體與翅片接觸逐漸減小，同時其內(nèi)部熱阻也不斷的增大。因此，厚度的不斷增大，對翅片和冷流體之間的流動換熱效果是非常受影響的。

3? 結(jié)論

在相同工況下，利用Fluent對三組不同厚度的百葉窗翅片進行了模擬計算，其結(jié)論如下：

①厚度為0.16mm時，翅片傳熱最好，換熱性能最好。

②厚度不斷增大，翅片與冷流體之間的接觸也隨之減小，進而使內(nèi)阻逐漸增大，這對換熱是非常不利的。

參考文獻：

[1]Perrotin T，Clodic D.FIN EFFICIENCY CALCULATION IN ENHANCED FIN-AND-TUBE HEAT EXCHANGERS IN DRY CONDITIONS[J]. International Congress of Refrigeration，2003.

[2]A.achaichia，T.A.Cowell. Heat transfer and pressure drop characteristics of flat tube and louvered plate fin surfaces，Experimental Thermal and Fluid Science l，1988，pp. 147-157.

[3]李志剛.基于CFD技術(shù)的柴油機中冷器的優(yōu)化設(shè)計與匹配研究[D].天津大學，2007.

[4]朱茂桃，姚鵬，田春虎.尖錐形汽車散熱器翅片性能優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2020（12）：191-193，197.

[5]郭宇航，陳攀，戴益波，等.一種散熱器翅片觸水側(cè)鋁合金板及其制備方法[P].江蘇省：CN111549265A，2020-08-18.

[6]何漢恩.基于FLOEFD的散熱器翅片間距仿真設(shè)計[J].硅谷，2014（8）：47-48.

[7]金開，鄭磊，朱蕾，等.散熱器翅片參數(shù)對其性能的影響研究[J].汽車實用技術(shù)，2020（005）：126-128.

[8]周振凱，劉兵，李健，等.基于遺傳算法的散熱器翅片優(yōu)化設(shè)計[J].電子機械工程，2019，035（005）：29-33.