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目前常用的幾種電子設(shè)備冷卻方式中，自然散熱因無(wú)需依靠風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，具備可靠性高、免維護(hù)、無(wú)噪音、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通訊基站、光伏發(fā)電、LED照明、安防等多個(gè)領(lǐng)域。自然散熱的性能對(duì)采用自然冷卻的電子設(shè)備而言至關(guān)重要，在某些場(chǎng)合甚至成為制約設(shè)備性能提升的瓶頸因素之一。
散熱結(jié)構(gòu)形式與自然散熱換熱性能有著密切的聯(lián)系。平行直肋由于散熱效率高、易加工成型、重量輕的特點(diǎn)，在自然散熱電子設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。目前已有較多關(guān)于平行肋自然散熱結(jié)構(gòu)的幾何尺寸優(yōu)化的研究。實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于平板散熱結(jié)構(gòu)而言，存在最佳的間距和高度尺寸以達(dá)到更好的自然散熱效果。針對(duì)自然對(duì)流流速較小、對(duì)流換熱系數(shù)較低的特點(diǎn)，為提高自然對(duì)流換熱系數(shù)，改善散熱性能，廣泛存在于建筑行業(yè)的“煙囪效應(yīng)”被嘗試應(yīng)用于電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)中。
本文針對(duì)某自然散熱電子設(shè)備的冷卻需求，綜合考慮重量、散熱效果、加工成型等因素，采用平行直翅散熱結(jié)構(gòu)，翅片間距、高度和厚度尺寸參考優(yōu)化后的固定值。在翅片重量不增加的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了曲面翅和底部高、頂部低的漸變輪廓散熱結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用FloEFD流體計(jì)算力學(xué)軟件對(duì)不同散熱結(jié)構(gòu)下的自然對(duì)流換熱進(jìn)行了對(duì)比研究。采用曲面翅與蓋板結(jié)合的煙囪結(jié)構(gòu)形式，利用“煙囪效應(yīng)”的自抽吸作用提高翅間風(fēng)速，增強(qiáng)自然對(duì)流換熱。最后，通過(guò)熱模擬件在自然散熱條件下的溫度實(shí)測(cè)對(duì)比，驗(yàn)證了優(yōu)化前后的自然散熱性能提升和仿真結(jié)論。
1 自然散熱設(shè)計(jì)
1.1 物理模型
本文研究的電子設(shè)備由帶有散熱結(jié)構(gòu)的殼體、蓋板及安裝在其內(nèi)部的發(fā)熱器件組成。殼體的底板一側(cè)設(shè)置散熱翅片，另一側(cè)安裝有發(fā)熱器件。發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱量通過(guò)底板傳導(dǎo)至另一側(cè)的散熱翅片，散熱翅片通過(guò)自然對(duì)流換熱將熱量擴(kuò)散至環(huán)境空氣中，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的自然散熱。
該電子設(shè)備與垂直方向成10°夾角傾斜安裝。散熱殼體底板的尺寸為450mm×240mm×4mm（寬×高×厚），16個(gè)離散分布的發(fā)熱塊安裝在底板表面，總發(fā)熱量為140W。散熱殼體材質(zhì)為導(dǎo)熱系數(shù)較高的6系鋁合金，為改善底板的熱擴(kuò)展性能，降低熱源溫度，在底板上內(nèi)嵌熱管強(qiáng)化換熱。綜合考慮散熱效果、重量、成型工藝等因素，翅片厚度t，間距s，高度h分別為1.5mm，10mm，55mm。散熱器具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。
1.2 散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化
為提升自然散熱能力，對(duì)散熱翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證散熱結(jié)構(gòu)總重量不變的前提下，采用底部高、頂部低的漸變輪廓翅片替代原來(lái)的矩形直翅，增大散熱翅片在自然對(duì)流入口段的換熱面積，充分利用入口效應(yīng)較高的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行散熱。兩種自然散熱結(jié)構(gòu)如圖2所示。
為有效提高自然上升氣流與散熱翅片的換熱效率，增加空氣在散熱翅片間的流程，采用“扇形”曲面翅片（如圖2(b)所示）實(shí)現(xiàn)自然散熱。與直翅結(jié)構(gòu)相比，曲面翅可增大散熱翅片的換熱面積，同時(shí)可對(duì)自然上升氣流起引導(dǎo)、分流作用，特別是在電子設(shè)備頂部有遮擋物，需要側(cè)面排風(fēng)的情況下。
為進(jìn)一步提升自然對(duì)流的空氣流速，在曲面散熱翅片的頂部增加蓋板，形成多個(gè)并排煙囪結(jié)構(gòu)，利用“煙囪效應(yīng)”強(qiáng)化自然散熱效果。帶蓋板的散熱翅片結(jié)構(gòu)如圖3所示。
1.3 仿真計(jì)算設(shè)置
運(yùn)用CFD軟件FloEFD12對(duì)直翅、曲面翅以及曲面翅片帶蓋板3種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行仿真計(jì)算，算例中采取以下幾條假設(shè)條件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化：
?。?）仿真計(jì)算中求解的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)均為穩(wěn)態(tài)條件下的結(jié)果；
?。?） 流動(dòng)介質(zhì)空氣為物性隨溫度變化的理想氣體；
?。?） 未考慮熱輻射對(duì)傳熱的影響。
為真實(shí)反映自然對(duì)流換熱特性，特別是上升氣流的尾流對(duì)流場(chǎng)的影響，計(jì)算域在豎直方向上的尺寸至少為散熱模型的2倍。計(jì)算域設(shè)置如圖4所示。
計(jì)算邊界條件設(shè)置如下：
?。?）環(huán)境溫度為50℃；
（2）設(shè)備總發(fā)熱量為140W；
?。?）重力加速度方向設(shè)置為與垂直方向成10°夾角，重力加速度值取當(dāng)?shù)刂?br> （4）流體和固體的物性參數(shù)采用FloEFD自帶的物性庫(kù)參數(shù)。
1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證
文中介紹的仿真算例均采用有限體積方法和六邊形網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。為保證散熱翅片區(qū)域有足夠的網(wǎng)格數(shù)量反映其流動(dòng)換熱特性，網(wǎng)格采取局部加密處理。
為保證仿真結(jié)果盡可能接近真實(shí)值，對(duì)計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。網(wǎng)格數(shù)量分別為26.5萬(wàn)，47.6萬(wàn)，97.1萬(wàn)，132萬(wàn)，189萬(wàn)。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從132萬(wàn)增大至189萬(wàn)時(shí)，參考點(diǎn)的溫度值變化小于0.5%，可認(rèn)為繼續(xù)增大網(wǎng)格數(shù)對(duì)提高仿真計(jì)算精度的作用可以忽略。考慮到仿真計(jì)算的效率，采用網(wǎng)格總數(shù)為132萬(wàn)的仿真模型進(jìn)行計(jì)算。
2 計(jì)算結(jié)果與分析
為對(duì)比不同散熱結(jié)構(gòu)對(duì)自然散熱條件下的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，分別對(duì)直翅、曲面翅以及曲面翅片帶蓋板3種模型進(jìn)行了仿真計(jì)算。
2.1 直翅與曲面翅對(duì)比
直翅和“扇形”曲面翅結(jié)構(gòu)的自然散熱流場(chǎng)如圖5(a)、(b)所示。由流場(chǎng)可見(jiàn)，兩種結(jié)構(gòu)下自然對(duì)流的速度分布及主流方向、速度基本一致，但在翅間風(fēng)速上存在差別。對(duì)于“扇形”曲面翅，由于翅片方向與重力方向有一定夾角，翅片出口處的風(fēng)速約在0.25?0.3m/s之間，略低于直翅出口處0.3m/s左右的風(fēng)速。
相同發(fā)熱條件下，直翅和“扇形”曲面翅兩種結(jié)構(gòu)的溫度分布如圖5(c)、(d)所示。由圖可見(jiàn)，曲面翅結(jié)構(gòu)的熱源最高溫度較直翅結(jié)構(gòu)低，從82.3℃降低至81.0℃，改善1.3℃。采用底部高、頂部低的漸變輪廓翅片替代原來(lái)的矩形直翅，盡管翅間風(fēng)速較原結(jié)構(gòu)形式略有下降，但入口區(qū)域翅片的高度有所增加。該區(qū)域由于入口效應(yīng)對(duì)流換熱系數(shù)較高，有效換熱面積增大，因此換熱器的整體散熱效果得到增強(qiáng)。
2.2 煙囪效應(yīng)的影響
為進(jìn)一步提高曲面翅翅間的空氣流速，基于煙囪效應(yīng)在其頂部增加一塊塑料蓋板與之貼合，對(duì)兩種情況下的流場(chǎng)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。如圖6所示，在增加蓋板后，曲面翅片間空氣流速明顯增加，同一位置空氣流速?gòu)脑瓉?lái)的0.3m/s增大至0.38m/s，特別是底部的進(jìn)風(fēng)口處，空氣流速?gòu)?.05m/s增大至0.1m/s以上。這說(shuō)明煙囪結(jié)構(gòu)可對(duì)翅片間的自然上升氣流產(chǎn)生加速作用，一方面增大翅片間的風(fēng)速，提高對(duì)流換熱系數(shù)，強(qiáng)化換熱；另一方面增大底部進(jìn)風(fēng)速度，引入更多新風(fēng)，有利于降低發(fā)熱器件溫度。
對(duì)兩種情況下的溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，可以看到，增加蓋板后，熱源最高溫度由81.0℃降低至78.8℃，降低了2.2℃。
仿真結(jié)果的對(duì)比分析表明，采用“扇形”曲面翅散熱結(jié)構(gòu)結(jié)合頂部加蓋板的方式，可以實(shí)現(xiàn)在不增加散熱結(jié)構(gòu)重量的前提下熱源最高溫度降低3.5℃。
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
為驗(yàn)證上述仿真結(jié)論，按照直翅和“扇形”曲面翅兩種散熱結(jié)構(gòu)加工了熱模擬件，實(shí)物如圖7所示。
對(duì)兩種熱模擬件在自然散熱條件下的溫度進(jìn)行了實(shí)測(cè)。環(huán)境溫度為16℃，分別為兩個(gè)熱模擬件加載140W的加熱功率，待溫度穩(wěn)定后，運(yùn)用紅外熱成像儀和熱電偶對(duì)熱源溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)，紅外溫度場(chǎng)如圖8所示?？梢钥吹剑嗤瑮l件下，優(yōu)化后熱源最高溫度較原結(jié)構(gòu)有明顯改善。
將不同溫度測(cè)點(diǎn)的溫度值（按50℃環(huán)境溫度推算）與仿真值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。
由表1可見(jiàn)，實(shí)測(cè)值較仿真值偏低，原因可能是仿真計(jì)算中未考慮熱輻射對(duì)散熱的影響。采用“扇形”曲面翅片帶蓋板的散熱結(jié)構(gòu)與原直翅結(jié)構(gòu)相比，3個(gè)位置測(cè)點(diǎn)的溫度分別降低了2.9℃，2.7℃和4.4℃，平均降低3℃以上，溫度改善幅度與仿真值吻合較好。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)不同翅片結(jié)構(gòu)在自然對(duì)流條件下的流動(dòng)換熱進(jìn)行仿真計(jì)算和對(duì)比分析，并對(duì)優(yōu)化前后的熱模擬件進(jìn)行自然散熱性能實(shí)測(cè)，得到如下結(jié)論：
?。?）基于等重原則，采用底部高、頂部低的漸變輪廓翅片替代原來(lái)的矩形直翅。相比直翅結(jié)構(gòu)，曲面翅翅間風(fēng)速略有下降，但由于對(duì)流換熱面積增大且入口區(qū)域翅片高度增加，整體散熱效果得到增強(qiáng)。
?。?）采用“扇形”曲面翅結(jié)合頂部加蓋板的結(jié)構(gòu)形式，可利用“煙囪效應(yīng)”有效增加翅間和底部進(jìn)風(fēng)口處的氣流速度，從而改善自然散熱效果。
?。?）熱模擬件實(shí)測(cè)值較仿真值偏低，原因可能是仿真計(jì)算中未考慮熱輻射對(duì)散熱的影響。散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后不同位置測(cè)點(diǎn)的溫度平均降低3℃以上，溫度改善幅度與仿真值吻合較好。
