管翅式散熱器不同進(jìn)出口高度對(duì)換熱性能的影響

陳金友 漆波

摘 ?要：該文通過(guò)建立倒T型管翅式散熱器5種不同進(jìn)口高度及6種不同出口高度的物理數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及分析，研究散熱器進(jìn)口及出口高度對(duì)換熱性能的影響。結(jié)果表明：隨進(jìn)口高度增大，散熱器換熱性能有所弱化，但是影響程度很小，最大值與最小值相差4.33%;隨出口高度增大，散熱器換熱性明顯增強(qiáng)，且影響程度很大，最大值與最小值相差47.74%。為此在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)散熱器的過(guò)程中，在滿足實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等條件下，應(yīng)盡可能地減小進(jìn)口高度，增大出口高度，以便得到最佳的換熱性能。

關(guān)鍵詞：管翅式散熱器 ?進(jìn)口高度 ?出口高度 ?數(shù)值計(jì)算

中圖分類號(hào)：TK172 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）06（a）-0069-03

管翅式散熱器是我國(guó)采用最為普遍的一種自然對(duì)流換熱器，其工作原理為相對(duì)高溫的翅片管與相對(duì)低溫的周圍空氣進(jìn)行對(duì)流熱交換，提高周圍空氣溫度，達(dá)到采暖的目的。項(xiàng)目前階段對(duì)散熱器傳熱性能試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行搭建研究，得到了實(shí)驗(yàn)的可行性實(shí)驗(yàn)方案，同時(shí)對(duì)管翅式散熱器的布置形式對(duì)散熱器性能的影響進(jìn)行數(shù)值仿真，目前研究的幾種布置形式中，倒T型布置型式散熱性能最優(yōu)，為此，該文主要研究進(jìn)口高度及出口高度對(duì)倒T型布置型式的管翅式散熱器換熱性能的影響，以期找到合適的進(jìn)出口尺寸參數(shù)，為管翅式散熱器的生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 ?模型建立及邊界條件設(shè)置

倒T型管翅式散熱器物理模型如圖1所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)類比市場(chǎng)常見(jiàn)L型布置方式的采暖散熱器的參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

倒T型管翅式散熱器換熱過(guò)程屬于典型的流固耦合換熱問(wèn)題，因此在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算過(guò)程中應(yīng)該滿足能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律以及質(zhì)量守恒定律，它們的控制方程如下。

合理的邊界條件設(shè)置對(duì)數(shù)值計(jì)算起到至關(guān)重要的作用，該模型邊界條件設(shè)置如下：考慮空氣流速未可知，采用進(jìn)口邊界條件，總溫度為291K，湍流動(dòng)能k為1，湍流耗散率e為1;根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，采用定壁溫;考慮出口回流及更容易收斂的因素，采用壓力出口邊界條件。

2 ?不同進(jìn)口高度對(duì)管翅式散熱器換熱性能的影響

因?yàn)槟壳笆袌?chǎng)上管翅式散熱器進(jìn)口高度相對(duì)較小，不適宜再進(jìn)一步減小，因此在研究管翅式散熱器進(jìn)口高度對(duì)散熱性能的影響的過(guò)程中，僅考慮增大散熱器進(jìn)口高度，不考慮減小散熱器進(jìn)口高度。圖2是5種不同進(jìn)口高度模型的俯視圖，最左側(cè)模型為原散熱器模型，從右至左進(jìn)口高度增加量依次減小，增加量分別為80mm、60mm、40mm、20mm、0mm的散熱器模型，相鄰兩個(gè)模型高度差值為20mm。

對(duì)5種不同進(jìn)口高度散熱器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到散熱結(jié)果匯總?cè)绫?所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，從變化趨勢(shì)的角度分析得到：散熱器隨進(jìn)口高度的減小，散熱器總換熱量增大。從對(duì)散熱量影響大小的角度分析得到：5種不同進(jìn)口高度的散熱器，散熱器散熱總量相差不大，最大值與最小值的增加量為4.33%，進(jìn)口高度越小，散熱總量對(duì)進(jìn)口高度變化越敏感。從對(duì)散熱器出口空氣流量的角度分析得到：散熱器進(jìn)口高度對(duì)散熱器出口空氣流量影響不大，最大值與最小值的增加量為2.26%。

通過(guò)對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)：散熱器隨進(jìn)口高度減小，散熱性能越好，但是散熱器進(jìn)口高度對(duì)散熱器換熱性能的影響不大，該文所計(jì)算的5種不同進(jìn)口高度，最大值與最小值僅相差4.33%，這對(duì)整個(gè)散熱器的散熱量影響較小;散熱器進(jìn)口高度對(duì)散熱器出口空氣流量的影響更小，該文所計(jì)算的5種不同進(jìn)口高度，最大值與最小值僅相差2.26%，這對(duì)整個(gè)散熱器的空氣流量影響更小，因此在管翅式散熱器設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，盡可能減小散熱器進(jìn)口高度，這樣不僅可以在一定程度上提高散熱性能（盡管影響不大），還可以減少散熱器制造成本，同時(shí)也減小散熱器的安裝尺寸，這樣可以達(dá)到散熱器換熱性能、經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用性的最佳狀態(tài)。

3 ?不同出口高度對(duì)管翅式散熱器換熱性能的影響

研究管翅式散熱器出口高度對(duì)散熱性能的影響的過(guò)程中，一方面考慮在原有出口高度上增大出口高度，另一方面還考慮在原有基礎(chǔ)上減小出口高度。圖3是6不同出口高度散熱器模型俯視圖，其中從左側(cè)起第三個(gè)散熱器出口高度為市場(chǎng)現(xiàn)有散熱器（原）出口高度，以原出口高度為參照高度，從左側(cè)起第一個(gè)模型出口高度增加-60mm（即減小60mm），第二個(gè)模型出口高度增加-30mm（即減小30mm），第三個(gè)模型出口高度增加0mm（即原出口高度），第四個(gè)模型出口高度增加+30mm，第五個(gè)模型出口高度增加+60mm，第六個(gè)模型出口高度增加+90mm，相鄰兩個(gè)模型高度差值為30mm。

對(duì)6種不同出口高度散熱器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到散熱結(jié)果匯總?cè)绫?所示，根據(jù)表3數(shù)據(jù)，從變化趨勢(shì)的角度分析得到：散熱器隨出口高度的減小，散熱器總換熱量減小。從對(duì)散熱量影響大小的角度分析得到：6種不同出口高度的散熱器，散熱器散熱總量相差較大，最大值與最小值的增加量為47.74%。從對(duì)散熱器出口空氣流量的角度分析得到：散熱器出口高度對(duì)散熱器出口空氣流量影響巨大，最大值與最小值的增加量為74.35%。

通過(guò)對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)：散熱器隨出口高度增大，散熱性能越好，并且散熱器出口高度對(duì)散熱器換熱性能的影響巨大，該文所計(jì)算的6種不同出口高度，換熱量最大值出現(xiàn)在出口高度增大+90mm（高度最大）時(shí)，換熱量最小值出現(xiàn)在出口高度增大-60mm（高度最小）時(shí)，最大值與最小值相差47.74%，這對(duì)整個(gè)散熱器的散熱量影響較大;散熱器出口高度對(duì)散熱器出口空氣流量的影響巨大，該文所計(jì)算的6種不同出口高度，最大值與最小值相差74.35%，這對(duì)整個(gè)散熱器的空氣流量影響很大，因此增大散熱器出口高度是提高散熱器換熱性能的有效方法，管翅式散熱器設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，在滿足管翅式安裝使用尺寸要求的前提下，應(yīng)該盡可能增大散熱器出口高度，以便得到更好的換熱性能。

4 ?結(jié)論

該文主要對(duì)倒T型布置方式下的管翅式散熱器的5種不同進(jìn)口高度及6種不同出口高度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、分析，得到以下結(jié)論。

（1）倒T型管翅式散熱器隨進(jìn)口高度增大，總換熱量減小，即換熱性能減弱。

（2）倒T型管翅式散熱器進(jìn)口高度對(duì)散熱器換熱性能影響不大，該文中研究的5種不同進(jìn)口高度，最大值與最小值相差4.33%。

（3）倒T型管翅式散熱器進(jìn)口高度對(duì)散熱器出口空氣流量能影響不大，該文中研究的5種不同進(jìn)口高度，最大值與最小值相差2.26%。

（4）倒T型管翅式散熱器隨出口高度增大，總換熱量增大，即換熱性能增強(qiáng)。

（5）倒T型管翅式散熱器出口高度對(duì)散熱器換熱性能影響較大，該文中研究的六種不同進(jìn)口高度，最大值與最小值相差47.74%。

（6）倒T型管翅式散熱器出口高度對(duì)散熱器出口空氣流量影響巨大，該文中研究的6種不同進(jìn)口高度，最大值與最小值相差74.35%。

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