穿圆形孔翅片对自然对流传热的强化研究

(郑州大学化工与能源学院 郑州450001)

翅片散热是工程中常用的一种散热方式。矩形翅片凭借其结构简单、制造方便等优点得到了广泛地应用，在太阳能应用、核反应堆燃料的冷却、电子元器件降温和空调等方面起着不可或缺的作用。在此着眼于研究用于大功率LED灯的翅片散热器。

强化矩形翅片传热的途径有:增大表面和外界环境间的传热系数，增大表面的传热面积，或两者同时应用。设置翅片以扩展表面积的方式来强化传热是相当普遍的方法。对于翅片外形的优化，已有了大量的研究，例如针形翅片、百叶窗式翅片、锯齿翅片、开缝翅片、波纹翅片、开孔翅片等等。对于实心的矩形翅片已有大量的实验和模拟研究，但大多都忽略了辐射对散热的影响。V Rammohan Rao 和S P Venkateshan[1]实验性的研究了水平翅片阵列中自然对流和辐射的相互作用。结果表明有不同的参数影响自然对流和辐射换热，如翅片表面的辐射率、翅片间隙、高度和基底温度。Senol Bakaya[2]等对水平的翅片组中翅片间距、翅高、翅长以及翅片与周围环境的温差对自然对流的影响进行了系统性的理论研究。V Dharma、S V Naidu、B Govinda Rao[3]等和王乐、吴珂[4]等在理论上研究了自然对流和辐射对水平矩形翅片的散热研究。在开孔翅片的研究当中，Abdullah H AlEssa与Mohamad I Al-Widyan[5]研究了三角形穿孔翅片对自然对流传热的强化作用。结果表明穿孔翅片在一定的区域内要优于实心翅片。M R Shaeri[6]等研究了侧面开正方形孔翅片的强制对流传热。结果表明，新型的开孔翅片具有更高的总传热量，并大量地减轻了翅片的重量，节省了材料。曲乐和贾林祥[7]研究了打孔翅片表面性能数值模拟。结果显示两种打孔翅片的开孔率对翅片流动阻力性能影响不大。黄钰期与俞小莉[8]研究了翅片开孔的强化传热机理，比较不同开孔方式对流场和温度场的影响。结果表明，对锯齿形翅片和波纹形翅片而言，不同的开孔参数和开孔位置对流动与散热都有不同的影响。对于矩形翅片开圆形孔的研究还不太成熟，为此这里将对开圆形孔的翅片进行研究。研究的目的是:在存在导热、自然对流换热及辐射的条件下，研究开圆孔对矩形翅片散热器散热功率的影响，以其为高效大功率LED灯的散热器设计提供依据。论文的主要目标可以概括为:1)研究开孔的相关因素对强化散热的影响。2)与相应尺寸的实心翅片相比较，确定开孔翅片的最优外形。

1 实验研究

1.1 翅片散热器结构

实验所用的翅片以开9孔的结构为例示意如图1。实验时，先进行实心翅片的实验，以得到翅片散热功率。再在翅片中央开1个孔进行单孔实验。然后在其两侧开2个孔，进行3孔实验。以此类推直至开孔数为9。

图1 翅片散热器结构图Fig.1 Diagram of fi n array structure

1.2 实验装置及步骤

实验装置如图2所示。将待测翅片置于靠电热丝加热的恒温基板上，整套装置置于带自动温控系统的恒温房中，采用Ds18b20数字传感器测试翅片表面温度并通过数据采集仪将测试的电压、电流、温度等数据转接至PC机上。实验中翅片表面散热功率是通过测量电压和电流值得到的。

具体的实验步骤为:先开启电脑、安捷伦、恒温房、恒温热基板，待恒温房和恒温热基板的温度稳定后，在翅片底部均匀涂抹导热硅胶，将翅片迅速放置在恒温热基板上，固定翅片表面的热电阻，适当地调节自耦变压器使翅片温度达到稳定。当翅片表面的温度曲线出现11个完整波形后(即此时翅片表面工况已趋稳定)，结束实验。

图2 实验装置图Fig.2 The equipment fi gure of experimentation

1.3 实验结果

实验测试不同打孔数下翅片的散热功率的结果如表1所示。

表1 实验数据Tab.1 Test data

由表中可知，随开孔数的增加，散热功率先随之增大，当开孔数为7时达到最高，尔后随开孔数的增大而有所下降。开孔为7的散热功率较实心翅片散热功率提高了13.8%，开孔9时则略有下降。这是因为开孔的增加使得翅片中心的热空气得以尽快转移，并及时补入冷空气，强化了传热传质过程，从而增强了翅片的换热能力。但当开孔数再继续增加时，由于翅片金属的减少，翅片下端的热量不足以由金属快速向上端传导并进一步散失，于是出现了散热功率随开孔数较小的趋势。

2 数值模拟研究

2.1 模型建立

为分析翅片散热的机理，鉴于计算的物理模型和工况的对称性，在此采用整翅片散热器的1/4及其周围的空气为模拟对象(如图3所示)进行数值研究。模型的边界条件如图3所示，翅片前端空气为压力进口，顶端为压力出口，模型对称边为对称边界。翅片结构及周围区域采用四面体网格，总网格数约为160万个左右。计算速度压力耦合采用SIMPLE算法。

图3 计算模型及边界条件设定Fig.3 Calculated model and boundary conditions

2.2 模拟假设

为便于数值建模和反映翅片结构的流动换热性能，特作如下假设:1)气体(性质)采用了boussinesq假设，即空气除了密度()外，为常物性；2)整个翅片的底面保持恒温75℃，环境温度恒定，为40℃，大气压力为101325Pa；3)气体为稳态不可压缩的层流流动；4)翅片的材料为Al，是均匀和各向同性的，并且具有常导热率；5)辐射采用DO模型，其翅片的发射率取0.18。

3 结果分析

3.1 实验与模拟结果的比较

图4 实验与模拟散热功率随开孔数的变化Fig.4 Comparison of variation of heat dissipation power with the number of the perforation simulations compared with experimental results

由于数值计算模型结构简化为原实验散热器的1/4，所以与实验结果对比时要将其散热功率除以4。实验与数值模拟结果的比较如图4所示。从图中可知，当开孔数为3时，实验与模拟数值存在最大相对误差，其值为9.1%。考虑到数值计算所作的假设和实验测试的相对误差等因素，可以认为数值模拟方法的可行性。此外，由图可知，实验散热功率和模拟散热功率随着翅片开孔数的增加，都呈现出先增加后下降的趋势，即当开孔数为7时散热功率达到最大。由此说明在该翅片上开7孔为最优的选择。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 开孔流场分析

为了分析开孔对翅片流动散热性能的影响，作出了实心翅片和开9孔翅片中央截面上的速度矢量如图5所示。

图5 实心翅片与开孔翅片中心截面上速度矢量图Fig.5 Velocity vectors of center cross section of the solid and perforated fi n

从图5(a)中可以看出，在翅片的加热作用下，冷空气被逐渐预热密度下降，顺着翅片下缘逐渐上升，在实心翅片与空气接触的外侧，气流迅速攀升；而内侧翅片内则流速较小，气流速度从下到上渐增，整个截面上速度呈现外高内低的不均匀流动现象。通过图5(b)可知，开孔有利于了基底附近空气的流动，使外侧冷空气通过小孔流至内侧翅片，利于内部翅片中空气的流动，从而能更好的将翅片内的热量带走。该截面上的流动相较实心翅片则显得流动更均匀合理。这也说明了开孔翅片具有更高散热功率的原因。

3.2.2 开孔位置对翅片散热的影响

表2 散热功率、平均表面散热量和平均表面换热系数随开孔位置的变化值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

为了研究开孔位置对翅片散热性能的影响，计算了三种不同开孔高度下的散热功率值如表2所示。在这三组数据中，开孔数与孔大小是一样的，即减少翅片表面的面积是一样的。

由表2可得到，当为实心矩形翅片开孔时，下端开孔的强化散热效果最好，中部次之，上端最差。之所以出现散热功率及平均表面散热量和散热系数的不同，这是由于翅片下端与外部冷空气的接触不够充分。孔开在下端，加强了冷空气与翅片间的自然对流散热。孔的位置越靠上，翅片与冷空气的接触越充分，因开孔对翅片造成的冷却效果不显著，所以开孔对其翅片散热的影响越小导致其散热功率的减少。

3.2.3 开孔大小对翅片散热的影响

下图6为在翅片底部开9个孔时，翅片表面的散热功率随开孔半径的变化。在图中可以看出，当保证孔圆心的间距为16.12mm不变的情况下，翅片表面的散热功率随开孔半径的增大，先增大后减小。在开孔半径为7mm时达到最大，与实心翅片相比，其散热功率增加了27.14%。随开孔半径的增大，翅片散热功率先随之增大，可见并不是由于开孔增加了翅片的表面积，而是因为开孔改善了翅片间距空气的流动状态。开孔的半径越大补入翅片间距的冷空气越多，强化了翅片的散热效果。但是当开孔半径从7mm增大到7.5mm时，所增加的空气换热面积效果不足以抵偿金属损失所要带走的热量，使翅片表面的面积减小进一步扩大，导致散热功率的降低。

图6 散热功率随不同的开孔半径的变化Fig.6 Variations of heat dissipation power with the radius of the holes

3.2.4 开孔形状对翅片散热的影响

研究了不同开孔形状对翅片散热性能的影响如表3所示。表3为在相同尺寸的翅片上开面积近似相等、不同形状的孔时，翅片表面的散热功率、平均散热量和换热系数值的变化。由表可以看出，当外部条件相同，开不同形状的孔时，翅片的散热功率近似相等。但是有平均表面散热量和散热系数可以看出，开圆孔的翅片其散热效果是最好的，方形孔次之，三角孔最差。

表3 散热功率、平均表面散热量和平均表面换热系数随开孔形状的变化值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 结论4

1)通过实验研究了开孔数对翅片散热性能的影响，发现当开孔数为7时散热效果最优，较实心翅片相比可提高散热功率达13.8%。并将实验结果与数值模拟进行了对比，两者之间能较好的吻合，说明采用数值模拟方法的可靠和结果的相对准确性。2)通过研究开圆孔的相关因素对矩形翅片散热器强化散热性能的数值模拟，结果显示:开孔有利于翅片外侧内冷空气流入翅片内侧，从而使整个翅片周围流动更均匀，因而能更好的带走翅片上的热量；同时开孔位置也对翅片散热功率产生显著影响，下端开孔最好，中部次之，上端最差；翅片的散热功率随开孔半径的增大出现先增大后减小的趋势，当开孔半径为7mm时达到最大；通过比较开孔形状，发现圆孔更有利于翅片内空气的流动和翅片的散热。

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