周 峰

(馬鋼股份公司第一鋼軋總廠設(shè)備保障部，安徽 馬鞍山 243011)

基于ANSYS的空調(diào)散熱器結(jié)構(gòu)對(duì)其散熱性能的影響分析

周 峰

(馬鋼股份公司第一鋼軋總廠設(shè)備保障部，安徽 馬鞍山 243011)

空調(diào)散熱器的散熱性能是影響空調(diào)工作性能的重要因素，如何合理設(shè)計(jì)散熱器結(jié)構(gòu)以提高空調(diào)散熱性能是目前亟待解決的問題?，F(xiàn)利用ANSYS軟件建立了散熱器的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了熱學(xué)性能分析，研究了散熱性能與散熱器結(jié)構(gòu)的關(guān)系，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了散熱器溫度分布云圖、相同結(jié)構(gòu)不同鰭片數(shù)對(duì)散熱器散熱性能影響的關(guān)系曲線圖以及不同結(jié)構(gòu)相同鰭片數(shù)對(duì)散熱器散熱性能影響的關(guān)系曲線圖，為空調(diào)散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

散熱器；ANSYS；有限元模型；結(jié)構(gòu)；鰭片；散熱性能

0 引言

空調(diào)是一種用于調(diào)節(jié)空間區(qū)域溫度變化的空氣調(diào)節(jié)器?？照{(diào)散熱器中最主要的部分就是散熱鰭片，散熱鰭片的質(zhì)量、質(zhì)地和型號(hào)都會(huì)影響散熱器的散熱功能。近些年來，國內(nèi)外大量研究分析了計(jì)算機(jī)CPU散熱器的熱學(xué)性能，杜平安、黃潔、李德勝等在他們的文章中著重從CPU散熱器的材料、幾何尺寸、鰭片間距與厚度以及導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面分析了其對(duì)散熱器性能的影響。而在空調(diào)散熱器領(lǐng)域，研究散熱器的結(jié)構(gòu)、材料等方面對(duì)散熱性能影響的甚少。故本文以有限元分析軟件ANSYS為工具，運(yùn)用ANSYS的熱分析功能著重對(duì)散熱性能與空調(diào)散熱器結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行了研究，分析了相同結(jié)構(gòu)不同散熱鰭片數(shù)對(duì)空調(diào)散熱器散熱性能的影響以及不同結(jié)構(gòu)相同散熱鰭片數(shù)對(duì)空調(diào)散熱器散熱性能的影響。

1 有限元模型的建立

本文的分析對(duì)象為直板式空調(diào)散熱器和扇形式空調(diào)散熱器。直板式散熱器尺寸為：散熱器底座長203 mm、寬96 mm、厚4.5 mm；散熱器整體高45.8 mm；散熱鰭片側(cè)面為梯形，上底1.5 mm，下底2 mm。扇形式散熱器尺寸為：散熱器底座長102 mm、寬102 mm；散熱器整體高50 mm；散熱鰭片側(cè)面為矩形，厚2 mm。

1.1 幾何模型的建立

本文2種結(jié)構(gòu)的散熱器所使用的材料均為6063-T5型鋁合金。根據(jù)6063-T5型鋁合金所具有的材料屬性，其導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/(m· ℃)，比熱為900 J/(kg· ℃)，密度為2 690 kg/m3。

1.2 結(jié)構(gòu)離散

本文采用ANSYS自由網(wǎng)格劃分方式劃分網(wǎng)格。在ANSYS中熱分析涉及的單元大約有40種，本文選取熱單元為20節(jié)點(diǎn)的Solid90單元。網(wǎng)格模型分別如圖1、圖2所示。

圖1 直板式散熱器ANSYS網(wǎng)格劃分模型圖

圖2 扇形式散熱器ANSYS網(wǎng)格劃分模型圖

1.3 邊界條件

根據(jù)空調(diào)散熱器的實(shí)際工作環(huán)境、施加載荷以及約束條件，將溫度載荷施加在底面，同時(shí)散熱鰭片上存在對(duì)流約束。本文中設(shè)定周圍空氣環(huán)境溫度為20 ℃，空氣對(duì)流交換系數(shù)為50 W/(m2· ℃)，空調(diào)所產(chǎn)生的熱通量設(shè)定為50 000 W/m2。

2 計(jì)算結(jié)果分析

下面就不同空調(diào)散熱器結(jié)構(gòu)對(duì)其散熱性能的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 不同散熱鰭片數(shù)對(duì)直板式空調(diào)散熱器散熱性能的影響

本文運(yùn)用ANSYS的熱分析功能，計(jì)算分析了散熱鰭片數(shù)為7、9、11的情況下，散熱器結(jié)構(gòu)對(duì)其散熱性能的影響，并繪制出了這3種結(jié)構(gòu)下的散熱器溫度分布云圖，如圖3所示。

圖3 鰭片數(shù)為7、9、11的散熱器溫度分布云圖

從上面的3個(gè)散熱效果圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著鰭片數(shù)的增加，散熱器的最高溫度有明顯下降。當(dāng)鰭片數(shù)為7時(shí)，直板式散熱器上的最高溫度為189.7 ℃；當(dāng)鰭片數(shù)為9時(shí)，直板式散熱器上的最高溫度為158.6 ℃；當(dāng)鰭片數(shù)為11時(shí)，直板式散熱器上的最高溫度為137.8 ℃。由此可知，散熱鰭片數(shù)量的增加即散熱鰭片間距的減少，可以提高散熱器的散熱性能，增強(qiáng)空調(diào)的工作性能。下面的曲線圖(圖4)形象生動(dòng)地反映了散熱鰭片數(shù)與散熱器溫度最高值之間的關(guān)系，同時(shí)進(jìn)一步說明了散熱鰭片數(shù)與散熱器散熱性能之間的關(guān)系。

圖4 散熱鰭片數(shù)與散熱器溫度最高值的關(guān)系曲線圖

2.2 不同散熱鰭片數(shù)對(duì)扇形式空調(diào)散熱器散熱性能的影響

針對(duì)不同散熱鰭片數(shù)對(duì)扇形式空調(diào)散熱器散熱性能的影響所建立的模型與上文相似，可以從圖5所示散熱器溫度分布云圖中得出結(jié)論。

圖5 鰭片數(shù)為11、17、21的散熱器溫度分布云圖

從上面的3個(gè)散熱效果圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著鰭片數(shù)的增加，散熱器的最高溫度有明顯下降。當(dāng)鰭片數(shù)為11時(shí)，扇形式散熱器上的最高溫度為133.9 ℃；當(dāng)鰭片數(shù)為17時(shí)，扇形式散熱器上的最高溫度為97.5 ℃；當(dāng)鰭片數(shù)為21時(shí)，扇形式散熱器上的最高溫度為84.0 ℃。由此可知，散熱鰭片數(shù)量的增加即散熱鰭片間距的減少，可以加大散熱面積，提高散熱器的散熱性能。圖6顯示了散熱鰭片數(shù)與散熱器散熱性能之間的關(guān)系。

圖6 散熱鰭片數(shù)與散熱器溫度最高值的關(guān)系曲線圖

3 結(jié)論

通過分析可以得出以下結(jié)論：(1) 當(dāng)直板式空調(diào)散熱器和扇形式空調(diào)散熱器的其他參數(shù)保持不變時(shí)，通過增加2種散熱器的散熱鰭片數(shù)，可以加大散熱面積，使散熱器的散熱性能提高，進(jìn)而使散熱器上的溫度降低。但是散熱鰭片間距過小會(huì)導(dǎo)致風(fēng)道尺寸減少，風(fēng)阻增大。所以，合理減小散熱鰭片間距可以有效提高空調(diào)散熱器的散熱性能。(2) 當(dāng)扇形式空調(diào)散熱器與直板式空調(diào)散熱器的散熱鰭片數(shù)都為11且其他參數(shù)保持不變時(shí)，扇形式散熱器溫度最高值比直板式散熱器溫度最高值要低，這就說明在相同的條件下，扇形式空調(diào)散熱器的散熱性能要比直板式空調(diào)散熱器的散熱性能好。

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2014-03-03

周峰(1979—)，男，山東濟(jì)寧人，工程師，研究方向：空調(diào)散熱器散熱性能的熱物性等。