豎直熱沉自然對(duì)流散熱的兩種強(qiáng)化措施研究

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

在無線通信領(lǐng)域中，遠(yuǎn)端射頻模塊(Radio Remote Unit，簡(jiǎn)稱RRU)集成了大功率芯片、各類元器件和信號(hào)反饋電路等。由于其集成度高，工作時(shí)將產(chǎn)生很高的耗散功率，如果不能及時(shí)排除由耗散功率轉(zhuǎn)化而來的熱量，將會(huì)使整個(gè)射頻模塊的溫度急劇升高，不僅會(huì)影響射頻模塊的電性能和信號(hào)傳輸，而且很可能導(dǎo)致集成芯片的失效。熱沉常用于電子芯片的冷卻和電子元器件的散熱，亦可用于RRU的散熱。在電子元器件的外部使用熱沉，主要是為了使電子元器件的溫度維持在正常的工作范圍內(nèi)。一般的電子元器件的散熱方式大致都可分為兩種：主動(dòng)散熱方式和被動(dòng)散熱方式。主動(dòng)散熱方式包括風(fēng)冷散熱、熱電制冷、熱管制冷、液冷等；被動(dòng)散熱方式主要指自然對(duì)流散熱。主動(dòng)散熱方式雖然有著較好的散熱效果，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性不能得到保證，所以主動(dòng)散熱方式不能完全替代被動(dòng)散熱方式。自然對(duì)流以空氣溫差產(chǎn)生的浮升力作為流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，無需外加散熱裝置，相對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流而言，因容易實(shí)施、安全、經(jīng)濟(jì)、無噪聲、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用于多種工業(yè)技術(shù)中。

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者們對(duì)熱沉自然對(duì)流散熱的強(qiáng)化措施研究主要可分為兩大部分：一是研究熱沉的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其散熱性能的影響；二是對(duì)熱沉的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，從而強(qiáng)化其散熱。本文主要探討了如何改進(jìn)給定幾何參數(shù)的RRU外部散熱部件豎直直翅式熱沉的幾何結(jié)構(gòu)，從而強(qiáng)化其散熱性能。帶肋的壁面被廣泛用來強(qiáng)化散熱[1-2]，對(duì)于豎直板肋熱沉自然對(duì)流散熱的強(qiáng)化措施研究具有開創(chuàng)性的意義。Elenbaas[3]在該領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究，他采用了半解析半經(jīng)驗(yàn)的手段研究了等溫矩形板肋熱沉自然對(duì)流換熱機(jī)制，并進(jìn)一步推導(dǎo)出了豎直板肋熱沉在平均努謝爾特?cái)?shù)條件下的一系列具有普遍意義的關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則式。Churchill和Chu[4]在大量學(xué)者演繹得出的理論以及實(shí)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上為豎直板肋熱沉在平均努謝爾特?cái)?shù)的條件下推導(dǎo)出了一系列具有普遍意義的關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則式。Bar-Cohen和Rohenow[5]也通過半解析的手段研究了豎直板肋熱沉的自然對(duì)流換熱機(jī)制，他們進(jìn)一步推導(dǎo)出了肋片在等溫和等熱流條件下以瑞利數(shù)為自變量、平均努謝爾特?cái)?shù)為因變量的關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則式。梁融等[6]通過模擬自然對(duì)流條件下的肋片熱沉，得出熱沉表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總熱阻幾乎不受功率影響，提出在翅片上開縫可以在一定程度上強(qiáng)化散熱，但要綜合考慮開縫帶來的散熱面積損失。王靜[7]和曲治國(guó)等[8]均對(duì)翅片進(jìn)行了開縫處理，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)開縫可以挺高溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的協(xié)同性，進(jìn)而改善散熱效果。王樂等[9]發(fā)現(xiàn)對(duì)翅片開縫有利于減小翅片間空氣的流動(dòng)阻力，形成自下而上的自然對(duì)流，消除局部環(huán)流，改善流體流動(dòng)狀態(tài)，優(yōu)化熱沉散熱性能。M.R. Shaeri等[10]對(duì)在翅片上開柵格方孔的熱沉進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)熱沉有較高的總傳熱系數(shù)，并可以減小熱沉的質(zhì)量；隨著開孔數(shù)目的增加，翅片基底與翅片頂部之間的溫差變大；在開孔數(shù)相同的條件下，孔徑較大熱沉的努謝爾特?cái)?shù)較大。黃秋月等[11]通過正交試驗(yàn)法和數(shù)值模擬研究了柵格式方孔翅片熱沉的散熱，得到不同的翅片高度和間距以及不同的翅高和翅厚比對(duì)應(yīng)的表面換熱系數(shù)變化趨勢(shì)圖。

基于上述探討，本文的研究目的為：分析兩種逐次遞進(jìn)的改進(jìn)措施對(duì)強(qiáng)化豎直直翅式熱沉自然對(duì)流散熱的效用，即通過對(duì)完整熱沉在中間位置開縫同時(shí)在開縫處添加擋片并進(jìn)一步對(duì)開縫熱沉存在的局部傳熱不利處開孔來強(qiáng)化散熱，從而為高效大功率RRU的散熱器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與計(jì)算模型

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

所選直翅式完整熱沉試樣的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其翅片和基底的材料均為鋁，通過擠壓拉制形成翅片與基底的整體結(jié)構(gòu)。基底尺寸為400 mm×230 mm×8 mm，翅片高度為35 mm，翅片間距8 mm，翅片個(gè)數(shù)為23，熱沉水平兩端翅片厚度為6 mm，其它21片厚度為2 mm，從而構(gòu)成了46個(gè)翅片換熱面。

為了強(qiáng)化豎直熱沉的自然對(duì)流散熱，對(duì)直翅式完整熱沉試樣進(jìn)行再加工，沿?zé)岢灵L(zhǎng)度方向中間位置開縫，開縫寬度為10 mm。在開縫處添加尺寸為230 mm×35 mm×3 mm的擋片，用來阻滯斷翅以下肋間空氣自下而上的流動(dòng)并進(jìn)一步擾亂空氣的流動(dòng)方向。經(jīng)過加工處理的直翅式熱沉試樣如圖2所示。

為了調(diào)查各類強(qiáng)化散熱措施對(duì)熱沉散熱性能的影響，我們搭建了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括中間開縫熱沉(添加擋片)、電加熱板、直流穩(wěn)壓電源、T型熱電偶以及多路溫度測(cè)試儀等。豎直熱沉懸空固定在支架上，熱沉底端距離地面500 mm，熱沉頂端距離天花板2 100 mm。直流穩(wěn)壓電源正負(fù)極連接尺寸為300 mm×200 mm×20 mm的鋁制電加熱板，熱沉基底底部與電加熱板緊密接觸，并通過導(dǎo)熱硅脂減少接觸熱阻。未覆蓋電加熱板的基底底面以及暴露在空氣中的電加熱板表面全部覆蓋隔熱保溫棉。電加熱板所產(chǎn)生的熱量從熱沉基底通過導(dǎo)熱傳遞給所有翅片，翅片獲得的熱量再以自然對(duì)流和熱輻射的方式傳遞到周圍空氣中。為了較為精準(zhǔn)地測(cè)量熱沉在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后其換熱表面的平均溫度，在熱沉基底和翅片表面均勻合理地布置了16個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過T型熱電偶、多路溫度測(cè)試儀以及計(jì)算機(jī)采集加熱功率為150 W、200 W、250 W三個(gè)工況下所有測(cè)點(diǎn)的溫度值。

1.2 計(jì)算模型

在對(duì)直翅式豎直熱沉進(jìn)行數(shù)值模擬之前，為了減少計(jì)算量，需對(duì)計(jì)算模型作如下假設(shè)：

(1)空氣流動(dòng)為三維不可壓縮定常流動(dòng)；

(2)空氣符合Boussinesq假設(shè)；

(3)熱沉受熱分布均勻且熱沉材料為各向同性；

(4)邊界層內(nèi)除空氣密度發(fā)生變化，空氣與熱沉的其它物性參數(shù)均為常數(shù)，相關(guān)物性參數(shù)如表1所示。

表1流體介質(zhì)與熱沉的熱物性

名稱比熱容/J·(kg·K)-1熱導(dǎo)率/W·(m·K)-1動(dòng)力粘度/Pa·s空氣1 0050.026 461.845e-05熱沉871202.4—

(5)熱沉與周圍空氣的換熱表面假定為理想光滑曲面，空氣在熱沉壁面處無滑移；

(6)忽略粘性耗散。

基于以上假設(shè)，空氣自然對(duì)流的控制方程可如(1)式所示

(1)

式中u、v、w——X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸向的速度分量；

ρ、p——空氣的密度、壓力；

α、μ、λ、cp——空氣的熱膨脹系數(shù)、動(dòng)力粘度系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)以及定壓比熱容；

T——熱沉換熱表面熱邊界層內(nèi)任意一點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫度值;

Tf——空氣參考溫度。

計(jì)算模型的邊界條件按如下設(shè)置：

(1)基底底面為第二類邊界條件

qw=const

(2)

(2)熱沉換熱表面為第三類邊界條件:

定義平均換熱系數(shù)h為

(3)

式中Tw——穩(wěn)態(tài)時(shí)暴露在空氣中的熱沉換熱表面的平均溫度；

A——暴露在空氣中的熱沉換熱的總面積。

由于熱沉及其周圍空氣流動(dòng)具有對(duì)稱性，為了節(jié)約計(jì)算資源，可以選取熱沉的一半進(jìn)行模擬。模擬時(shí)的熱沉周圍的空氣區(qū)域必須足夠大，以接近實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情況。經(jīng)過多次選取不同的模擬區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，將熱沉周圍大空間區(qū)域范圍定為1 063 mm×615 mm×3 000 mm。模擬中，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為減少近壁面對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)熱沉壁面區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芴幚恚沟肶plus的值小于1[12]。

整個(gè)大空間分為流體域以及固體域兩個(gè)部分，流體域主要用來模擬熱沉周圍空間以及肋間空氣的流動(dòng)狀況，固體域主要用來模擬穩(wěn)態(tài)時(shí)熱沉換熱表面的平均溫度以及熱通量，流體域與固體域的交界面按照流固耦合邊界條件處理。

模擬中，熱沉表面的發(fā)射率設(shè)定為0.2。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壓力-速度耦合算法選用Coupled算法。動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散系數(shù)以及能量方程的對(duì)流項(xiàng)離散格式均采用計(jì)算精度較高的二階迎風(fēng)格式。

2 結(jié)果分析和討論

2.1 數(shù)值模型的精度驗(yàn)證

直翅式熱沉試樣的翅片可以看作平板，對(duì)于平板換熱，熱邊界層較薄時(shí)，換熱系數(shù)較大。翅片由于存在連續(xù)的熱邊界層而使得熱沉散熱性能變差，翅片開縫可以阻止熱邊界層的發(fā)展，使得每一段翅片生成一個(gè)新的熱邊界層，減少熱邊界層的厚度，從而提高了熱沉整體的對(duì)流換熱系數(shù)。然而僅通過對(duì)熱沉開縫來強(qiáng)化散熱性能，效果畢竟是很有限的。對(duì)完整熱沉中間位置開縫，斷翅將熱沉分為上、下相等的兩段，受熱空氣從下段通過開縫處流入上段后，肋間受熱空氣溫度已經(jīng)很高，冷卻效果勢(shì)必下降。如果在開縫處添加一塊擋片，熱沉下段肋間的受熱空氣不再通過開縫處流入上段，而擋片上部開縫處重新補(bǔ)入的冷空氣可以有效地冷卻熱沉的上段，從而提高了熱沉整體的散熱性能。

為了驗(yàn)證豎直熱沉中間開縫同時(shí)添加擋片后對(duì)其強(qiáng)化散熱性能的影響，我們按照?qǐng)D3所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。中間開縫熱沉(添加擋片)16個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)的平面布置如圖4所示。

假設(shè)測(cè)點(diǎn)的模擬溫度為TN，相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)溫度為TE，則計(jì)算相對(duì)誤差Δ有如下公式

(4)

三個(gè)工況下16個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差如圖5所示。

從圖5可知， 1～10點(diǎn)位于擋片的上部，自然對(duì)流處于過渡流或湍流階段，相對(duì)誤差較小，11～16點(diǎn)位于擋片下部，自然對(duì)流尚處于層流形成階段且由于擋片的存在導(dǎo)致了自下而上的流向發(fā)生了改變，相對(duì)誤差會(huì)比較大。150 W工況時(shí)，最大誤差為11.3‰；200 W工況時(shí)，最大誤差為12.6‰；250 W工況時(shí)，最大誤差為14.9‰。三個(gè)工況下的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均控制在了1.5%以內(nèi)，數(shù)值模擬的精度較好。

2.2 開縫位置對(duì)熱沉整體散熱性能的影響

為了調(diào)查熱沉不同開縫位置對(duì)其整體散熱性能的影響，可以采用數(shù)值手段對(duì)開縫熱沉分別由中間位置向上或向下平移100 mm、50 mm、25 mm后進(jìn)行模擬計(jì)算，并分析150 W、200 W、250 W三種工況下共18個(gè)案例的模擬結(jié)果。不同的開縫位置如圖6所示。

假設(shè)7種不同的開縫位置(沿Z軸正向)的豎直熱沉三個(gè)工況下的穩(wěn)態(tài)數(shù)值溫度分別為TH1、TH2、TH3、TH4、TH5、TH6、TH7，完整熱沉三個(gè)工況下對(duì)應(yīng)的的穩(wěn)態(tài)數(shù)值溫度為T0。設(shè)ΔT1=T0-TH1、ΔT2=T0-TH2……ΔT7=T0-TH7。在同一工況下，只有當(dāng)熱沉換熱表面平均溫度降低時(shí)，熱沉整體的平均熱阻才會(huì)降低，進(jìn)而表明熱沉的整體散熱性能有所提高。顯然，當(dāng)ΔT>0時(shí)，表明在開縫處添加擋片的豎直熱沉換熱能力得到強(qiáng)化。

從表2可知，ΔTmax=ΔT4，即中間開縫熱沉強(qiáng)化換熱效果最佳，熱沉換熱表面平均溫度隨著工況的增加，分別降低了1.30 K、1.66 K、2.10 K。豎直熱沉開縫位置無論向上平移還是向下平移，強(qiáng)化換熱效果均逐漸降低，當(dāng)開縫位置向上平移100 mm時(shí)，反而弱化了換熱(ΔT<0)。

表2不同開縫位置(添加擋片)熱沉散熱性能的強(qiáng)弱

150 W200 W250 WΔT1/K0.200.360.58ΔT2/K0.851.081.36ΔT3/K0.901.141.44ΔT4/K1.301.662.10ΔT5/K0.941.171.48ΔT6/K0.700.901.16ΔT7/K-0.24-0.23-0.15

為了分析對(duì)熱沉中間開縫并添加擋片后對(duì)肋間流體換熱的影響，分別對(duì)比了200 W工況下完整熱沉以及開縫熱沉(添加擋片)的肋間溫度分布云圖與后者的速度矢量圖，如圖7所示。

由圖7的結(jié)果可見：與完整熱沉相比，擋片的存在改變了其下部空氣自下而上層次分明的自然對(duì)流，當(dāng)接近基底的高溫空氣在靠近擋片時(shí)，流動(dòng)方向受迫改變，向肋端流去，越接近肋端，肋間空氣溫度越低，接近基底的高溫空氣與接近肋端的低溫空氣相互摻混，從而大大減少了擋片下部傳熱死區(qū)的面積。同時(shí)，因?yàn)閾跗臄_流作用具備傳遞效應(yīng)，其下部肋間原本自下而上流動(dòng)的受熱空氣轉(zhuǎn)而向肋端攀升，不僅提高了擋片下部氣流溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的協(xié)同性，而且能夠有效地將基底以及根部翅片產(chǎn)生的熱量帶走，從而強(qiáng)化了換熱。與連續(xù)斷翅有所不同的是，擋片的存在將豎直熱沉分成換熱氣流互不干擾的兩段，擋片上部流入的換熱空氣是新鮮的冷空氣，它們開始重新形成新的熱邊界層。與完整熱沉相比，添加擋片的開縫熱沉，整體的高溫區(qū)域有所減少。

然而，由圖7還可以看出：在靠近擋片上部的一小塊區(qū)域內(nèi)仍存在溫度較高的傳熱死區(qū)，這是由于周圍的冷空氣并不能有效進(jìn)入該區(qū)域?qū)е碌摹?/p>

2.3 對(duì)開縫熱沉傳熱不利區(qū)域開孔

由于靠近擋片上部的一小塊區(qū)域存在明顯的傳熱死區(qū)，嘗試在該區(qū)域靠近基底處沿Y軸方向開兩排方孔，方孔的邊長(zhǎng)為7 mm，如圖8所示。靠近基底的方孔左邊距基底2 mm，右排方孔的左邊距左排方孔的右邊5 mm，兩排方孔的底邊距上部翅片底部15 mm。

為了分析在對(duì)開縫熱沉添加擋片的基礎(chǔ)上再開兩排方孔對(duì)靠近擋片上側(cè)局部傳熱死區(qū)的影響，將未開孔的開縫熱沉(添加擋片)以及開孔后的開縫熱沉(添加擋片)的肋間溫度云圖與后者的速度矢量圖進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

如圖10所示，與未開孔的開縫熱沉相比，外部冷空氣流至孔口附近，將產(chǎn)生橫向混合，引起肋間流速的突然變化，從而形成氣流漩渦與脫體運(yùn)動(dòng)。孔口周邊的熱邊界層得到一定程度的破壞，不僅降低了翅片的流動(dòng)阻力，而且進(jìn)一步提高了熱沉整體的散熱性能。與未開孔的開縫熱沉相比，三個(gè)工況下，熱沉換熱表面的平均溫度分別又降低了0.70 K、0.93 K、1.13 K。

3 結(jié)論

因?qū)嶒?yàn)條件限制，本文僅選擇了開縫寬度為10 mm的直翅式熱沉試樣為研究對(duì)象，研究在安裝角為90°時(shí)，對(duì)給定幾何結(jié)構(gòu)尺寸的豎直熱沉在開縫處添加擋片以及進(jìn)一步對(duì)局部傳熱不利區(qū)開孔后對(duì)其整體散熱性能的影響，以其盡最大可能地降低基底和翅片表面的平均溫度，從而為高效大功率RRU的散熱器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。研究表明：

(1)對(duì)于添加擋片的開縫熱沉，開縫位置處于熱沉中間時(shí)，散熱效果最好，且隨著加熱功率的增加，強(qiáng)化換熱效果呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。將熱沉的開縫位置(添加擋片)沿豎直方向向上或向下平移后其整體的散熱性能均逐漸變差。

(2)在開縫熱沉添加擋片處，靠近其上側(cè)局部的傳熱死區(qū)處開孔能夠進(jìn)一步改善其散熱效果。開孔不僅改變了肋間空氣的流向，而且形成了氣流漩渦和脫體運(yùn)動(dòng)，通過擾流作用極大地減少了靠近擋片上部傳熱死區(qū)的面積。

實(shí)際上，通過優(yōu)化開孔的尺寸、位置和數(shù)量，豎直熱沉的自然對(duì)流散熱性能仍可能有進(jìn)一步強(qiáng)化的潛力，這將是本文進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。