一種基于風(fēng)阻估算的風(fēng)機(jī)選型方法

高馳名，劉　瑩，馬建章

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)核電工程有限公司河北分公司，河北 石家莊 050011)

一種基于風(fēng)阻估算的風(fēng)機(jī)選型方法

高馳名1，劉瑩2，馬建章1

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)核電工程有限公司河北分公司，河北 石家莊 050011)

摘要對(duì)矩形平行翅肋散熱器風(fēng)阻的計(jì)算和考慮風(fēng)阻情況下風(fēng)機(jī)的選型進(jìn)行了研究。簡(jiǎn)要介紹了風(fēng)機(jī)的特性曲線(xiàn)和工作點(diǎn)對(duì)散熱效果的影響，提出了一種基于矩形散熱器風(fēng)阻估算的風(fēng)機(jī)選型方法，基于該方法計(jì)算得出了矩形翅肋散熱器的風(fēng)阻特性曲線(xiàn)。以某散熱器為例，用此方法計(jì)算了散熱器的風(fēng)阻、風(fēng)壓，選擇了合適的風(fēng)機(jī)，通過(guò)ICEPAK軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法合理、可行。

關(guān)鍵詞矩形散熱器；風(fēng)阻估算；風(fēng)機(jī)選型

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

電子設(shè)備中大功率模塊的應(yīng)用導(dǎo)致設(shè)備局部熱流密度大幅增加，一般的整機(jī)散熱的方法難以滿(mǎn)足散熱要求。為解決局部散熱問(wèn)題，局部強(qiáng)制對(duì)流散熱器應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中采用矩形肋散熱片配以對(duì)流風(fēng)機(jī)的方案，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、成本低廉，受到設(shè)計(jì)者的青睞。對(duì)于矩形散熱器，如何選擇與其匹配的風(fēng)機(jī)是散熱效果好壞的關(guān)鍵。傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)選型是根據(jù)風(fēng)機(jī)的功率和風(fēng)量來(lái)確定型號(hào)，而忽略了風(fēng)機(jī)動(dòng)壓與散熱器風(fēng)道阻抗是否匹配，如果風(fēng)壓與風(fēng)阻不匹配，則很有可能達(dá)不到預(yù)期的散熱效果。

在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，考慮風(fēng)道阻抗對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓的影響，通過(guò)計(jì)算散熱片的風(fēng)道阻力和散熱所需要的風(fēng)量，初步選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)、繪制風(fēng)道阻抗曲線(xiàn)進(jìn)而計(jì)算風(fēng)扇工作點(diǎn)，再根據(jù)風(fēng)扇工作點(diǎn)的值對(duì)所選的風(fēng)機(jī)型號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，最終選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機(jī)。

1風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)及風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

1.1　風(fēng)機(jī)P-Q曲線(xiàn)

風(fēng)機(jī)的特性曲線(xiàn)，是指通風(fēng)機(jī)在固定轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，其壓力、效率與功率隨風(fēng)量而變化的關(guān)系。一般以風(fēng)量為橫坐標(biāo)，壓力、功率或效率為縱坐標(biāo)，其中以風(fēng)量和壓力為坐標(biāo)軸的曲線(xiàn)又稱(chēng)為P-Q曲線(xiàn)[1]。

1.2　風(fēng)機(jī)壓力和工作點(diǎn)

風(fēng)機(jī)的總壓力是用來(lái)克服風(fēng)道的阻力，并在出口處形成一定的速度頭。 風(fēng)壓也可以表示成流量的函數(shù)，其曲線(xiàn)與P-Q曲線(xiàn)的交點(diǎn)即為風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)。風(fēng)壓曲線(xiàn)表示的風(fēng)機(jī)克服風(fēng)阻的能力，所以風(fēng)壓曲線(xiàn)又稱(chēng)為風(fēng)道阻抗曲線(xiàn)。風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)示意如圖1所示。圖1中C點(diǎn)即為風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，PC、QC為風(fēng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)的風(fēng)壓和風(fēng)量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)工作點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)右下方時(shí)，風(fēng)機(jī)效率最高[2]。

圖1　風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)示意

由圖1可知，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)是風(fēng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)的風(fēng)壓和風(fēng)量，本文的重點(diǎn)就是估算散熱器的風(fēng)阻，進(jìn)而繪制風(fēng)阻曲線(xiàn)，求出風(fēng)阻曲線(xiàn)與廠(chǎng)家提供的風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)(工作點(diǎn))，為風(fēng)機(jī)選型提供依據(jù)。

2建立散熱器模型

計(jì)算散熱器風(fēng)阻，首先要建立散熱器模型 ，本文以最簡(jiǎn)單、常用的側(cè)吹風(fēng)矩形平行翅肋散熱器為例建立模型如圖2和圖3所示。

圖中，H，W，L分別為散熱器的高度、寬度和長(zhǎng)度，b為齒間距，t為齒厚度，h為齒高，這6個(gè)參數(shù)就能唯一確定散熱器的外形。散熱器底部緊貼發(fā)熱量為Φ的器件(忽略散熱器的導(dǎo)熱熱阻)。

圖2　散熱器模型

圖3　風(fēng)道示意圖

3散熱器風(fēng)阻估算

3.1　估算散熱器風(fēng)阻

散熱器的風(fēng)阻由入口阻力、沿程阻力和出口阻力3部分組成[3]。氣流進(jìn)入散熱器時(shí)由于流道收縮產(chǎn)生入口阻力，氣體在流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)由于與流道的摩擦而形成沿程阻力，氣體離開(kāi)散熱器時(shí)由于氣體膨脹而產(chǎn)生出口阻力。通常風(fēng)阻用壓降ΔP表示[4,5]：

ΔP散=ΔP入+ΔP沿+ΔP出，

(1)

ΔP入=Kcρu2/2 ；ΔP出=KEρu2/2 ，

(2)

根據(jù)上述公式可以出計(jì)算散熱器風(fēng)阻。

3.2　計(jì)算風(fēng)機(jī)全靜壓

風(fēng)機(jī)的全靜壓除了用于克服散熱器風(fēng)阻外，出口流體還要有一定的速度頭才能把熱流體帶出系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)全靜壓用P靜表示。

P靜=ΔP散+P速度。

(3)

結(jié)合式(1)和式 (2)，風(fēng)機(jī)靜壓可按表示為：

(4)

(5)

由式(5)可以看出，風(fēng)扇全靜壓是一條以流量Q為自變量通過(guò)原點(diǎn)的拋物線(xiàn)，而其斜率取決于系數(shù)K。

4風(fēng)扇選型

根據(jù)熱平衡方程，可得系統(tǒng)通風(fēng)量為：

(6)

式中 ，ρ 為空氣密度(kg/m3)；Cp為空氣定壓比熱(J/(kg·℃))；Φ為總損耗功率(熱流量)(W)；Δt為冷卻空氣的出口與進(jìn)口溫差(℃)。空氣的出口溫度應(yīng)根據(jù)單元內(nèi)各元件允許的表面溫度確定，而元件的表面溫度與冷卻效果有關(guān)。Δt的確定涉及一系列的迭代計(jì)算，一般Δt可取(10~15℃)[1,3]。

根據(jù)式(6)計(jì)算的風(fēng)量Qf，以Q=(1.5~2)Qf為風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量，選擇風(fēng)扇型號(hào)，得到風(fēng)機(jī)的特性曲線(xiàn)。根據(jù)式(5)在風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)上繪制系統(tǒng)風(fēng)阻拋物線(xiàn)，2條曲線(xiàn)的交點(diǎn)C(QC,PC)即為風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。

比較QC與Qf,若QC>Qf，工作點(diǎn)風(fēng)量大于所需風(fēng)量，則所選的風(fēng)機(jī)是合適的；若QC

5實(shí)例計(jì)算

根據(jù)圖2中模型，將相應(yīng)的參數(shù)賦予具體的數(shù)值，取環(huán)境溫度20 ℃，W=51 mm，L=50 mm，t=1.5 mm，b=3 mm，n=12，h=30 mm，系統(tǒng)散熱量Φ=50 W，Δt=15℃。取t=20 ℃為定性溫度，查得空氣物性參數(shù)為ρ=1.205 kg/m3，CP=1 005 J/(kg·℃)，μ=1.85×10-5kg/m·s。

5.1　估算風(fēng)量

5.2　估算風(fēng)阻

將數(shù)據(jù)帶入相應(yīng)公式得到各個(gè)系數(shù)結(jié)果如下(均采用國(guó)際單位)：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。

計(jì)算風(fēng)機(jī)靜壓系數(shù)K為：

P靜=KQ2=2.03×106Q2，

即為系統(tǒng)風(fēng)阻特性曲線(xiàn)。

5.3　風(fēng)機(jī)選型

取Q=2Qf≈12 CFM，選取BS501512H軸流風(fēng)機(jī)(最大風(fēng)量17.2 CFM)，把上節(jié)得到的風(fēng)阻特性曲線(xiàn)繪制到風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)[9]如圖4所示。求出2條線(xiàn)的交點(diǎn)QC(7.44，2.47)，QC即為所求工作點(diǎn)。顯然QC>Qf，所選風(fēng)機(jī)符合要求。

圖4　風(fēng)機(jī)P-Q曲線(xiàn)與風(fēng)阻曲線(xiàn)

5.4　數(shù)值仿真與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述方法的可行性，用ICEPAK軟件對(duì)上述算例進(jìn)行仿真，對(duì)2種結(jié)果比較分析。仿真得到風(fēng)扇的工作點(diǎn)如圖5所示。

圖5　仿真得到的風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

根據(jù)圖5的結(jié)果，進(jìn)行單位換算得QCF=3.845×10-3m3/s=8.15 CFM，PCF=20.37 N/m2=2.07(mmH20)，顯然QCF>QC>Qf，PCF

估算風(fēng)阻所采用的模型是假設(shè)氣流都從散熱器的溝槽中流過(guò)，并且假設(shè)出口壓力是下降的。實(shí)際情況下，有相當(dāng)一部分氣流是從散熱器的邊界面流過(guò)，并且當(dāng)氣流流出散熱器溝槽時(shí)，壓力會(huì)有所回升，所以風(fēng)阻估算的結(jié)果偏大，用本文的方法估算風(fēng)阻來(lái)選擇風(fēng)機(jī)應(yīng)該更加更安全。

6結(jié)束語(yǔ)

選擇風(fēng)機(jī)時(shí)需要考慮的因素很多，如風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、特征、體積、重量和功率以及通風(fēng)系統(tǒng)的阻抗等，其中主要的參數(shù)是風(fēng)量、風(fēng)壓和系統(tǒng)風(fēng)阻特性。充分考慮系統(tǒng)風(fēng)阻的前提下，對(duì)于風(fēng)道較長(zhǎng)，且遠(yuǎn)離熱源的系統(tǒng)宜選用風(fēng)壓較大的風(fēng)機(jī)，對(duì)于風(fēng)道短，接近熱源的系統(tǒng)宜選用風(fēng)量較大的風(fēng)機(jī)。

對(duì)矩形肋散熱器風(fēng)阻進(jìn)行了定性和定量分析，給出了散熱器風(fēng)阻的估算方法，并與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，在考慮散熱器風(fēng)阻的情況下，選擇與散熱器風(fēng)阻抗相匹配的風(fēng)機(jī)，為風(fēng)機(jī)選型提供了一定的理論依據(jù)。

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高馳名男,(1982—)，工程師。主要研究方向：電子通信設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

劉瑩女,(1983—)，工程師。主要研究方向：核電站常規(guī)島工藝系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)及工程設(shè)計(jì)。

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-05-05

中圖分類(lèi)號(hào)TH136

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)08-0076-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.21

引用格式：高馳名，劉瑩，馬建章.一種基于風(fēng)阻估算的風(fēng)機(jī)選型方法[J].無(wú)線(xiàn)電工程，2015，45(8)：76-79.