(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(jié)構(gòu)簡單、制造方便等優(yōu)點得到了廣泛地應(yīng)用，在太陽能應(yīng)用、核反應(yīng)堆燃料的冷卻、電子元器件降溫和空調(diào)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(huán)境間的傳熱系數(shù)，增大表面的傳熱面積，或兩者同時應(yīng)用。設(shè)置翅片以擴展表面積的方式來強化傳熱是相當(dāng)普遍的方法。對于翅片外形的優(yōu)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(jié)果表明有不同的參數(shù)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(huán)境的溫差對自然對流的影響進行了系統(tǒng)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(dāng)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(jié)果表明穿孔翅片在一定的區(qū)域內(nèi)要優(yōu)于實心翅片。M R Shaeri[6]等研究了側(cè)面開正方形孔翅片的強制對流傳熱。結(jié)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(jié)省了材料。曲樂和賈林祥[7]研究了打孔翅片表面性能數(shù)值模擬。結(jié)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(jié)果表明，對鋸齒形翅片和波紋形翅片而言，不同的開孔參數(shù)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(dǎo)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(shè)計提供依據(jù)。論文的主要目標(biāo)可以概括為:1)研究開孔的相關(guān)因素對強化散熱的影響。2)與相應(yīng)尺寸的實心翅片相比較，確定開孔翅片的最優(yōu)外形。

1 實驗研究

1.1 翅片散熱器結(jié)構(gòu)

實驗所用的翅片以開9孔的結(jié)構(gòu)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(cè)開2個孔，進行3孔實驗。以此類推直至開孔數(shù)為9。

圖1 翅片散熱器結(jié)構(gòu)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(tǒng)的恒溫房中，采用Ds18b20數(shù)字傳感器測試翅片表面溫度并通過數(shù)據(jù)采集儀將測試的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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?zé)峄?，待恒溫房和恒溫?zé)峄宓臏囟确€(wěn)定后，在翅片底部均勻涂抹導(dǎo)熱硅膠，將翅片迅速放置在恒溫?zé)峄迳希潭ǔ崞砻娴臒犭娮?，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)自耦變壓器使翅片溫度達到穩(wěn)定。當(dāng)翅片表面的溫度曲線出現(xiàn)11個完整波形后(即此時翅片表面工況已趨穩(wěn)定)，結(jié)束實驗。

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

1.3 實驗結(jié)果

實驗測試不同打孔數(shù)下翅片的散熱功率的結(jié)果如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

由表中可知，隨開孔數(shù)的增加，散熱功率先隨之增大，當(dāng)開孔數(shù)為7時達到最高，爾后隨開孔數(shù)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(zhuǎn)移，并及時補入冷空氣，強化了傳熱傳質(zhì)過程，從而增強了翅片的換熱能力。但當(dāng)開孔數(shù)再繼續(xù)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(dǎo)并進一步散失，于是出現(xiàn)了散熱功率隨開孔數(shù)較小的趨勢。

2 數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)及周圍區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)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(shè)定Fig.3 Calculated model and boundary conditions

2.2 模擬假設(shè)

為便于數(shù)值建模和反映翅片結(jié)構(gòu)的流動換熱性能，特作如下假設(shè):1)氣體(性質(zhì))采用了boussinesq假設(shè)，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(huán)境溫度恒定，為40℃，大氣壓力為101325Pa；3)氣體為穩(wěn)態(tài)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(dǎo)熱率；5)輻射采用DO模型，其翅片的發(fā)射率取0.18。

3 結(jié)果分析

3.1 實驗與模擬結(jié)果的比較

圖4 實驗與模擬散熱功率隨開孔數(shù)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(shù)值計算模型結(jié)構(gòu)簡化為原實驗散熱器的1/4，所以與實驗結(jié)果對比時要將其散熱功率除以4。實驗與數(shù)值模擬結(jié)果的比較如圖4所示。從圖中可知，當(dāng)開孔數(shù)為3時，實驗與模擬數(shù)值存在最大相對誤差，其值為9.1%。考慮到數(shù)值計算所作的假設(shè)和實驗測試的相對誤差等因素，可以認為數(shù)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(shù)的增加，都呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢，即當(dāng)開孔數(shù)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(yōu)的選擇。

3.2 模擬結(jié)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(yù)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(cè)，氣流迅速攀升；而內(nèi)側(cè)翅片內(nèi)則流速較小，氣流速度從下到上漸增，整個截面上速度呈現(xiàn)外高內(nèi)低的不均勻流動現(xiàn)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(cè)冷空氣通過小孔流至內(nèi)側(cè)翅片，利于內(nèi)部翅片中空氣的流動，從而能更好的將翅片內(nèi)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(shù)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(shù)據(jù)中，開孔數(shù)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(dāng)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(xiàn)散熱功率及平均表面散熱量和散熱系數(shù)的不同，這是由于翅片下端與外部冷空氣的接觸不夠充分?？组_在下端，加強了冷空氣與翅片間的自然對流散熱?？椎奈恢迷娇可希崞c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(dǎo)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(dāng)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(tài)。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(dāng)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(dǎo)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(shù)值的變化。由表可以看出，當(dāng)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(shù)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(shù)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(jié)論4

1)通過實驗研究了開孔數(shù)對翅片散熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)開孔數(shù)為7時散熱效果最優(yōu)，較實心翅片相比可提高散熱功率達13.8%。并將實驗結(jié)果與數(shù)值模擬進行了對比，兩者之間能較好的吻合，說明采用數(shù)值模擬方法的可靠和結(jié)果的相對準(zhǔn)確性。2)通過研究開圓孔的相關(guān)因素對矩形翅片散熱器強化散熱性能的數(shù)值模擬，結(jié)果顯示:開孔有利于翅片外側(cè)內(nèi)冷空氣流入翅片內(nèi)側(cè)，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(chǎn)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(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)開孔半徑為7mm時達到最大；通過比較開孔形狀，發(fā)現(xiàn)圓孔更有利于翅片內(nèi)空氣的流動和翅片的散熱。

[1] V Rammohan Rao, S P Venkateshan. Experimental study of free convection and radiation in horizontal fi n arrays[J].Interational Journal of Heat and Mass Transfer,1996, 39(4): 779-789.

[2] Senol Baskaya, Mecit Sivrioglu, Murat Ozek. Parametric study of natural convection heat transfer from horizontal rectangular fin arrays[J].Int. J.Therm.Sci., 2000, 39(8):797-805.

[3] V Dharma Rao, S V Naidu, B Govinda Rao,et al. Heat thansfer from a horizontal fi n array by natural convection and radiation-A conjugate analysis[J].Interational Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49(19-20): 3379-3391.

[4] 王樂,吳珂,俞益波,等.基于CFD的LED陣列自然對流散熱研究[J].光電子?激光,2010,21(12):1758-1762.(Wang Le,Wu Ke,Yu Yibo,et al.Study on LED array heat transfer under natural convection based on CFD[J]. Journal of Optoelectronics?Laser, 2010, 21(12):1758-1762.)

[5] Abdullah H AlEssa, Mohamad I Al-Widyan. Enhancement of Natural Convection Heat Transfer From a Fin by Triangular Perforations of Bases Parallel and Toward Its Tip[J]. Applied Mathematics and Mechanics (English Edition), 2008, 29(8):1033-1044.

[6] M R Shaeri, M Yaghoubi, K Jafarpur. Heat transfer analysis of lateral perforated fin heat sinks[J]. Applied Energy, 2009, 86(10): 2019-2029.

[7] 曲樂,賈林祥. 鋸齒與打孔翅片表面性能數(shù)值模擬[J]. 低溫工程, 2008,161(1):50-56.(Qu Le, Jia Linxiang. Numerical simulation of surface activity of offset strip fin and fin with apertures[J]. Cryogenics,2008,161(1):50-56.)

[8] 黃鈺期, 俞小莉. 緊湊式換熱器開孔翅片流動傳熱特性分析[J]. 化工學(xué)報, 2009, 60(9): 2161-2170.(Huang Yuqi, Yu Xiaoli. Flow and heat transfer analysis of perforated fin in compact heat exchanger[J]. CIESC Journal, 2009, 60(9): 2161-2170.)