源汇耦合的电子设备内自然对流换热的实验研究

战乃岩 丁鹭 柴宇惟 徐玥

摘要：针对电子设备散热问题，通过无接触激光全息干涉技术和烟流微风示踪技术对多热源耦合的电子设备散热问题进行研究，分析Rayleigh数、热源数量、热源间距、壁面温差等因素对腔体内流动换热的影响，实验研究发现：随着Rayleigh数的增加，流动换热增强;热源数量的增加对流动换热不利;当腔内有两个热源时，热源间距50 mm时换热效果最好;随着腔内高低温壁面温差的增加，对流动和换热越来越有利，但换热速率不断减小，温差为10℃最有利，为电子设备散热设计提供理论依据。

关键词：对流换热;电子设备;散热设计;源汇耦合;热源间距;热源数量

中图分类号：TN98-34

文献标识码：A

文章编号：1004-373X（ 2019）24-0050-05

自然对流是最经典便捷的散热方式，其优点是结构简单、成本低、安全可靠、无噪声和振动[1]。在这种情况下，依靠自然对流散热势必成为主要选择。

对封闭腔体自然对流的研究已有很多，马崇扬等对封闭方腔内放置方形热源自然对流换热进行了数值模拟，结果表明Rayleigh数和长宽比对方腔温度场分布和流场涡卷有显著影响[2];徐梓斌等對热源在水平腔内引起的自然对流问题进行了模拟计算，分析了热源尺寸与不同边界条件对流动换热的影响[3];蒋宏利等研究了侧壁上同时有3个热源及各热源加热功率不同对流体流动和换热的影响[4];匡东升等通过数值模拟探讨了二维封闭方腔内自然对流换热中倾斜角度和Rayleigh数对流动换热的影响[5];文献[6-8]等所研究的模型都是内热源位于腔体中心，而在实际设备中，内热源基本上都位于腔体的底部;战乃岩等综合考虑多种因素对小空间热源群换热的影响[9]。综上所述，前人多通过模拟手段进行分析，而通过实验进行印证其观点的却很少。本文主要通过无接触激光全息干涉技术和微流烟风示踪可视化手段研究影响封闭热源长方体腔换热效果的因素，对模拟结果进行印证。

1 物理模型

物理模型和实验模型如图1所示。封闭长方体腔长宽高分别为L，W，H;腔内离散热源长宽高分别为L，W，H，热源尺寸相同，腔体和热源尺寸均可变;腔内高温热源温度为Th，低温壁面温度为Tc，且Th>Tc，封闭腔是由双层玻璃组成，双层玻璃中间是6 mm厚的空气层，以此达到绝热的效果，实验中只考虑温差引起的密度变化，初始速度U= V=W=0。

2 实验系统

实时激光全息干涉实验对实验台具有较高的水平度和抗震性能的要求，为确保激光光源的水平度和干涉条纹的稳定性使之得到准确的实验结果，实验采用ZVB30-15自充气自平衡精密隔振光学平台作为实验平台。光路系统由MW-SL-532绿光连续激光器作为激光光源，半透半反镜、反射镜、扩束镜、准直透镜、调整架等组成。实验选用DC系列低温恒温水槽，满足对控温范围、控温精度、控温方式等技术参数要求。为确保全息成相的清晰和实验结果的准确，全息干板进行预硬化、显影、定影、漂白等处理。实验光路如图2所示。

3 结果分析与讨论

3.1 温度场和流场分布

实验对无内热源封闭腔体在不同Rayleigh数的工况进行研究。不同Rayleigh数下的平均Nusselt数如图3和图4所示，温度场和流场如图5所示。

由图3和图4可看出，随着Rayleigh数的增加，平均Nusselt数呈现增长趋势，这意味着换热效果逐渐加强。随着Rayleigh数的增大，空气流动情况基本分为以下几种情况：稳定、局部失稳、单倍周期、拟周期（多倍周期区域）、多解共存、跳跃、瞬间混沌。当Ra=84 555时，Nu数急剧减小，并由图4可看出其无规则变化。由图5a）可看出，靠近底面的空气温度高于靠近顶面的空气温度，随着Ra数的增大，自然对流越来越明显，换热逐渐加强，即图4中干涉条纹变细，数量增多;根据激光全息干涉条纹温度计算公式：T= aBT0P0/（ aBP0+ mλrT0），已知上壁面温度为-1.5℃，即271.5 K，以Ra=60 000为例求出每条干涉条纹所对应的温度值，结果如图5c）所示。由图5b）可看出，初始涡卷界限清晰，流动清晰，随着换热加强，相邻涡卷发生融合现象，界限模糊。

3.2 热源数量对换热的影响

为探究热源数量对封闭腔内自然对流换热的影响，对腔体尺寸/=40 mm，W=10 mm，H=10 mm，热源尺寸L =4 mm，W=1 mm，H'=1 mm，Ra=10 000，无内热源、一个热源、两个热源的工况进行研究，分析腔内空气流动换热规律，Nusselt数见图6，温度场和流场见图7、图8。

由图6可见，三种工况下换热效果依次为无内热源、一个热源、两个热源。由图7可见，温度分布围绕热源呈环状，随着热源数量增加，温度梯度减小，且两个热源间存在相互影响。由图8可见，当腔体内无内热源时，随时间变化形成的涡卷界限清晰，流动稳定;当腔内有一个热源时，形成两个涡卷，与无内热源工况相比涡卷界限相对模糊，并开始变形流动;当腔内有两个热源时，涡卷数量增至四个，中间涡卷较细，两侧涡卷较宽，侧壁面附近流动变得微弱，换热效果减弱。3.3热源间距对换热的影响

为探究热源间间距对封闭腔内换热效果的影响，对腔体尺寸/=140 mm，W=70 mm，H=70 mm，热源尺寸L'=2 mm，W=1 mm，H=1 mm，热源与上下壁面温差20℃，热源间距分别为10 mm，50 mm，70 mm，100 mm工况进行研究，分析腔体内空气流动换热规律，如图9和图10所示。

由图9可见，随着热源间距增大，Nusselt数呈先增大后减小的趋势，热源间距d=50 mm为换热效果最佳工况。

由图10可知，当热源间距较小时，空气外部流动与单热源腔体的流动状态大致相同;随着热源间距的增加，与热源间距为10 mm相比，在两热源间又形成两个涡卷，但由于两热源的相互影响，使热源间涡卷界限模糊，换热加强，直到间距为50 mm时换热效果最好;随着热源间距从50 mm增加至100 mm的过程中，两热源间的相互影响逐渐减弱，两热源间的涡卷界限又逐渐清晰，腔内空气流动逐渐减弱，换热减弱。

3.4 壁面温差对换热的影响

为探究壁面温差对封闭腔内换热效果的影响，对腔体尺寸L=140 mm，W=70 mm，H=70 mm，热源尺寸L'=2 mm，W'=1 mm，H'=1 mm，两个热源时，热源与上下壁面温差为5℃，10℃，15℃，20℃工况时进行研究，分析腔体内空气流动换热规律，如图11和图12所示。

由图11可见，随着热源与上下壁面温差的增加，Nusselt数呈不断增长的趋势，换热加强;随着温差增加，Nusselt数的曲线逐渐趋于平缓，即斜率逐渐减小，表明换热速率较小，在温差为10℃换热速率最大。由图12可见，在上下壁面温差为5℃和10℃时，涡卷内部流动清晰且稳定;当温差为15℃时，涡卷开始流动并逐渐混乱，且存在消融现象，说明腔内空气流动加强，换热效果加强;当温差为20℃时，涡卷较温差为15℃时更混乱，出现振荡和混沌现象。

4 结语

针对电子设备散热问题，通过无接触激光全息干涉技术对多热源耦合的电子设备散热问题进行研究，得到如下结论：随着热源数量增加，对流动和换热越来越不利;当腔内有两个热源时，随着热源间距增加，腔内换热效果先增强后减弱，两热源间的相互影响逐渐减弱，最佳热源间距d=50 mm;随着腔内高低温壁面温差的增加，对流动和换热越来越有利。但随着温差逐步增大，换热速率不断减小，在温差为10℃换热速率最大。

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作者简介：战乃岩（1975-），女，吉林长春人，博士，教授，主要从事传热传质工作。