一种基于风阻估算的风机选型方法

高驰名，刘　莹，马建章

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国核电工程有限公司河北分公司，河北 石家庄 050011)

一种基于风阻估算的风机选型方法

高驰名1，刘莹2，马建章1

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国核电工程有限公司河北分公司，河北 石家庄 050011)

摘要对矩形平行翅肋散热器风阻的计算和考虑风阻情况下风机的选型进行了研究。简要介绍了风机的特性曲线和工作点对散热效果的影响，提出了一种基于矩形散热器风阻估算的风机选型方法，基于该方法计算得出了矩形翅肋散热器的风阻特性曲线。以某散热器为例，用此方法计算了散热器的风阻、风压，选择了合适的风机，通过ICEPAK软件进行了仿真验证，结果表明该方法合理、可行。

关键词矩形散热器；风阻估算；风机选型

A Method of Fan Selection Based on Air Flow Resistance Estimation

GAO Chi-ming1,LIU Ying2,MA Jian-zhang1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.ChinaNuclearPowerEngineeringCo.LTD.HebeiBranck,ShijiazhuangHebei050011，China)

AbstractThe estimation of air flow resistance and fan selection under air flow resistance are studied in the paper.The method of air flow resistance estimation and P-Q curve based on rectangular heat sink are described,and the influence of fan P-Q curve and fan operating point to the heat elimination of heat sink is introduced.A method of fan selection under air flow resistance is proposed.With a heat sink as example,the air flow resistance is calculated and the suitable fan for the sink is selected.An advanced thermal modeling software ICEPAK is used for simulation.The result proves that this method is reasonable and feasible.

Key wordsrectangular heat sink;air flow resistance estimation;fan selection

0引言

电子设备中大功率模块的应用导致设备局部热流密度大幅增加，一般的整机散热的方法难以满足散热要求。为解决局部散热问题，局部强制对流散热器应用越来越广泛，其中采用矩形肋散热片配以对流风机的方案，以其结构简单、易于加工、成本低廉，受到设计者的青睐。对于矩形散热器，如何选择与其匹配的风机是散热效果好坏的关键。传统风机选型是根据风机的功率和风量来确定型号，而忽略了风机动压与散热器风道阻抗是否匹配，如果风压与风阻不匹配，则很有可能达不到预期的散热效果。

在传统方法的基础上，考虑风道阻抗对风机风量和风压的影响，通过计算散热片的风道阻力和散热所需要的风量，初步选择风机型号、绘制风道阻抗曲线进而计算风扇工作点，再根据风扇工作点的值对所选的风机型号进行验证，最终选择适当的风机。

1风机特性曲线及风机工作点

1.1　风机P-Q曲线

风机的特性曲线，是指通风机在固定转速下工作时，其压力、效率与功率随风量而变化的关系。一般以风量为横坐标，压力、功率或效率为纵坐标，其中以风量和压力为坐标轴的曲线又称为P-Q曲线[1]。

1.2　风机压力和工作点

风机的总压力是用来克服风道的阻力，并在出口处形成一定的速度头。 风压也可以表示成流量的函数，其曲线与P-Q曲线的交点即为风机工作点。风压曲线表示的风机克服风阻的能力，所以风压曲线又称为风道阻抗曲线。风机工作点示意如图1所示。图1中C点即为风机工作点，PC、QC为风机实际工作时的风压和风量。根据经验工作点位于风机特性曲线右下方时，风机效率最高[2]。

图1　风机工作点示意

由图1可知，风机工作点是风机实际工作时的风压和风量，本文的重点就是估算散热器的风阻，进而绘制风阻曲线，求出风阻曲线与厂家提供的风机特性曲线的交点(工作点)，为风机选型提供依据。

2建立散热器模型

计算散热器风阻，首先要建立散热器模型 ，本文以最简单、常用的侧吹风矩形平行翅肋散热器为例建立模型如图2和图3所示。

图中，H，W，L分别为散热器的高度、宽度和长度，b为齿间距，t为齿厚度，h为齿高，这6个参数就能唯一确定散热器的外形。散热器底部紧贴发热量为Φ的器件(忽略散热器的导热热阻)。

图2　散热器模型

图3　风道示意图

3散热器风阻估算

3.1　估算散热器风阻

散热器的风阻由入口阻力、沿程阻力和出口阻力3部分组成[3]。气流进入散热器时由于流道收缩产生入口阻力，气体在流道内流动时由于与流道的摩擦而形成沿程阻力，气体离开散热器时由于气体膨胀而产生出口阻力。通常风阻用压降ΔP表示[4,5]：

ΔP散=ΔP入+ΔP沿+ΔP出，

(1)

ΔP入=Kcρu2/2 ；ΔP出=KEρu2/2 ，

(2)

根据上述公式可以出计算散热器风阻。

3.2　计算风机全静压

风机的全静压除了用于克服散热器风阻外，出口流体还要有一定的速度头才能把热流体带出系统，风机全静压用P静表示。

P静=ΔP散+P速度。

(3)

结合式(1)和式 (2)，风机静压可按表示为：

(4)

(5)

由式(5)可以看出，风扇全静压是一条以流量Q为自变量通过原点的抛物线，而其斜率取决于系数K。

4风扇选型

根据热平衡方程，可得系统通风量为：

(6)

式中 ，ρ 为空气密度(kg/m3)；Cp为空气定压比热(J/(kg·℃))；Φ为总损耗功率(热流量)(W)；Δt为冷却空气的出口与进口温差(℃)。空气的出口温度应根据单元内各元件允许的表面温度确定，而元件的表面温度与冷却效果有关。Δt的确定涉及一系列的迭代计算，一般Δt可取(10~15℃)[1,3]。

根据式(6)计算的风量Qf，以Q=(1.5~2)Qf为风机最大风量，选择风扇型号，得到风机的特性曲线。根据式(5)在风机特性曲线上绘制系统风阻抛物线，2条曲线的交点C(QC,PC)即为风机的工作点。

比较QC与Qf,若QC>Qf，工作点风量大于所需风量，则所选的风机是合适的；若QC

5实例计算

根据图2中模型，将相应的参数赋予具体的数值，取环境温度20 ℃，W=51 mm，L=50 mm，t=1.5 mm，b=3 mm，n=12，h=30 mm，系统散热量Φ=50 W，Δt=15℃。取t=20 ℃为定性温度，查得空气物性参数为ρ=1.205 kg/m3，CP=1 005 J/(kg·℃)，μ=1.85×10-5kg/m·s。

5.1　估算风量

5.2　估算风阻

将数据带入相应公式得到各个系数结果如下(均采用国际单位)：σ=0.647，KC=0.244，KE=0.338，DH=0.005 45，S=0.000 989 91，u=2.83，Re=833.7，λ=0.1，f=0.025,L*=0.011，fapp=0.047。

计算风机静压系数K为：

P静=KQ2=2.03×106Q2，

即为系统风阻特性曲线。

5.3　风机选型

取Q=2Qf≈12 CFM，选取BS501512H轴流风机(最大风量17.2 CFM)，把上节得到的风阻特性曲线绘制到风机特性曲线[9]如图4所示。求出2条线的交点QC(7.44，2.47)，QC即为所求工作点。显然QC>Qf，所选风机符合要求。

图4　风机P-Q曲线与风阻曲线

5.4　数值仿真与结果分析

为了验证上述方法的可行性，用ICEPAK软件对上述算例进行仿真，对2种结果比较分析。仿真得到风扇的工作点如图5所示。

图5　仿真得到的风机工作点

根据图5的结果，进行单位换算得QCF=3.845×10-3m3/s=8.15 CFM，PCF=20.37 N/m2=2.07(mmH20)，显然QCF>QC>Qf，PCF

估算风阻所采用的模型是假设气流都从散热器的沟槽中流过，并且假设出口压力是下降的。实际情况下，有相当一部分气流是从散热器的边界面流过，并且当气流流出散热器沟槽时，压力会有所回升，所以风阻估算的结果偏大，用本文的方法估算风阻来选择风机应该更加更安全。

6结束语

选择风机时需要考虑的因素很多，如风机的风量、风压、特征、体积、重量和功率以及通风系统的阻抗等，其中主要的参数是风量、风压和系统风阻特性。充分考虑系统风阻的前提下，对于风道较长，且远离热源的系统宜选用风压较大的风机，对于风道短，接近热源的系统宜选用风量较大的风机。

对矩形肋散热器风阻进行了定性和定量分析，给出了散热器风阻的估算方法，并与数值仿真结果进行了对比，在考虑散热器风阻的情况下，选择与散热器风阻抗相匹配的风机，为风机选型提供了一定的理论依据。

参考文献

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[9]轴流风机手册[S].苏州:苏州三协电机有限公司，2011.

高驰名男,(1982—)，工程师。主要研究方向：电子通信设备结构设计。

刘莹女,(1983—)，工程师。主要研究方向：核电站常规岛工艺系统技术开发及工程设计。

作者简介

收稿日期：2015-05-05

中图分类号TH136

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)08-0076-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.21

引用格式：高驰名，刘莹，马建章.一种基于风阻估算的风机选型方法[J].无线电工程，2015，45(8)：76-79.