利用缺口翅片设计增强自然对流散热器的传热

转自International Communications in Heat and Mass Transferr传热传质国际交流

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.106676

NCHS的性能一般是通过优化鳍尺寸、增加表面积和实施新颖的鳍几何形状来增强的。其中后一种方法常采用边界层中断和气流夹带技术。一些新的翅片设计采用了边界层中断的概念来增强HTC。然而，有关带更多气流进入鳍通道的研究是有限的。这对于典型的全封闭工业PC来说是至关重要的，而散热器只能安装在PC的顶盖上。因此，增加空气夹带进入水平散热器是关键的有效散热。因此，本研究提出了一种新的缺口鳍在水平方向下的NCHS结构。该散热器采用气流夹带机制，提高了NCHS的换热速率，并进行了实验验证。

为了估计来自所有三个方向(x, y和z)的热损失，热电偶被放置在绝缘块的不同深度。所有三个方向的综合热损失从提供给加热器的电力中减去，以获得实际输入到散热器的热量。使用数据采集模块(YOKOGAWA MX100)记录所有测量数据。本研究以工业计算机中常用的NCHS的配置为基本模型。基本散热器型号的尺寸规格见图1。散热器底座面积固定为190 × 125 mm2。取翅片高度为5.3 mm，间距为2.4 mm，厚度为1.7 mm。请注意，NCHS是由铝合金6061组成的。

图1 基本NCHS模型的尺寸规格。

计算域和边界条件如图2所示，利用对称边界条件，节省了计算成本和时间。侧壁和顶壁均为恒压状态，底壁为无滑移边界状态，如图2所示。采用有限体积法，在Ansys Icepack软件包中进行了仿真运行。采用Boussinesq近似模拟了NCHS周围浮力诱导的流动。同时求解了质量、动量和能量方程，以评估散热系统的流量(速度)和温度分布。此外，在模拟中引入离散坐标模型以考虑辐射效应。详细的数学表达式可以在其他地方找到。

图2 计算域和边界条件的细节。

不同NCHS配置的气流分布如图3所示。在基本情况(1Hf1S)下，空气从侧面进入NCHS(即翅片通道)，主气流不经过NCHS内部区域向上上升，如图3(a)所示。这意味着气流无法到达内部区域进行有效的散热。分析了不同翅片尺寸对改善NCHS内气流的作用，如表3所示。当翅片间距为2.4 mm(即2Hf1S)，翅片高度增加约2倍时，由于通道内气流略有增加，TR值降低约11%，如图3(b)所示。然而，在这种情况下，尽管表面积增加，HTC却减少了34%，这表明由于NCHS中心区域缺乏气流，大部分表面积并没有积极参与换热。从图3(b)可以看出，仅仅增加翅片高度并不能改善进入通道的气流。因此，在情形B中，为了实现吸气效果，将翅片间距和翅片高度加倍，如图3(c)所示。由于更宽的间距(4.8 mm)，翅片高度的增加诱导了更多的气流进入通道。结果，案例B提供了17%的TR降低。然而，尽管表面面积增加了21%，但2Hf2S的HTC与基本案例保持相同(增加1.7%)。最后，为了了解翅片高度对2S翅片间距的影响，我们将翅片高度加倍，如图3(d)所示。由于空气夹带增强，TR显著降低了约35%;然而，HTC却下降了近25%。基于上述讨论，2Hf 2S配置通过保留与基本NCHS模型相同的HTC，可以显著降低TR。

图3 不同NCHS配置的气流型图(a)基本工况- 1Hf1S， (b) 2Hf1S， (c) 2Hf2S， (d) 4Hf2S

NCHS采用缺口翅片设计，以增加通道内更深的气流，增加传热速率。基于这一认识，本研究提出了一种新颖的向内缺口翼设计，如图4所示。

图4 NCHS采用缺口翅片设计，以增加通道内更深的气流。

与没有缺口的基本NCHS相比，翅片底部的缺口使更多的气流流入NCHS通道，如图5所示。增强的空气夹带增加了传热，从而降低了TR。然而，将缺口长度增加到40 mm以上并不能进一步改善传热。这是因为它减少了太多的传热面积，同时失去了有效的翅片效率。因此，当缺口长度大于40 mm时，这些综合作用导致TR增大。由于缺口翅片能够使更多的气流进入通道，因此有必要对缺口翅片NCHS的翅片间距进行优化。以最佳缺口长度为40 mm为条件，分析了翅片间距对缺口鳍NCHS的影响。翅片间距增加至3.6 mm时，由于进入NCHS内部区域的气流增强，TR减小。然而，当翅片间距超过3.6 mm时，由于翅片数量(即有效表面积)的减少，TR开始增加。

图5 分析了无缺口的基本NCHS和带缺口翅片的新型NCHS的气流形态。

为了提高自然对流散热片(NCHS)的性能，提出了一种具有中央开口的缺口翅片散热器。实验研究了该散热器在自然对流条件下的性能，并与传统板翅片散热器进行了比较。根据数值和实验结果可以得出以下结论:

•优化翅片尺寸可以降低基本NCHS的热阻(TR)。当基本型号的翅片间距和高度几乎增加一倍时，TR降低了17%。

•缺口翅片设计可以将更多的气流从侧面带入NCHS，提高NCHS的散热率。最佳缺口长度约为40 mm，最佳翅片间距约为40 mm对于缺口鳍是3.6毫米。

•然而，缺口设计在NCHS的中心部分仍然缺乏新鲜气流。因此，在中心区域提供了一个开口以诱导气流进入通道。因此，与基本NCHS模型和没有中心开口的缺口NCHS相比，带中心开口的缺口鳍设计的TR分别降低了26%和13%。

•由于辐射效应，NCHS的发射率在传热中起着至关重要的作用。发射率为0.9的NCHS比发射率为0.15的NCHS减少了23%的TR。

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