脈動流強(qiáng)化翅片散熱器數(shù)值模擬研究

陳軍偉　閔春華　張媛　王坤　謝立垚

摘要 采用數(shù)值模擬的方法，研究脈動流作用下翅片散熱器的散熱效果，分析脈動振幅和脈動頻率對散熱性能的影響。結(jié)果表明：脈動流能增強(qiáng)翅片散熱器的散熱效果;隨著脈動振幅增大，瞬時換熱性能和瞬時阻力性能波動越來越強(qiáng)，平均換熱性能和平均阻力性能增加;存在最佳振幅使綜合換熱性能最高;隨著脈動頻率增大，瞬時換熱性能變化不大，平均換熱性能逐漸減小;瞬時阻力性能波動劇烈且波動幅值增大，平均阻力性能減小;存在最佳頻率使綜合換熱性能最高。

關(guān) 鍵 詞 翅片散熱器;電子器件;脈動流;強(qiáng)化傳熱;數(shù)值模擬

中圖分類號 TK124? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Numerical study on finned radiator under pulsating flow for heat dissipation enhancement

CHEN Junwei， MIN Chunhua， ZHANG Yuan， WANG Kun， XIE Liyao

（ School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China ）

Abstract A numerical method is used to study the heat dissipation performance of a plate-fin radiator under pulsating flow. The effects of pulsating amplitude and frequency on the heat dissipation performance are analyzed. The results show that the pulsating flow can somewhat enhance the heat dissipation performance of the radiator. The transient heat dissipation? performance? and? the? transient? flow resistance increase as the amplitude increases. An optimal amplitude exists? where? the? radiator has the highest overall heat dissipation performance. With the increase of the frequency， the radiator transient heat dissipation performance is nearly invariable; while the average heat transfer performance decreases gradually. Meanwhile the transient resistance fluctuates sharply， the fluctuation amplitude increases while the average flow resistance decreases. There is also an optimal frequency that leads to the highest overall heat dissipation performance of the heatsink.

Key words finned radiator; electronic device; pulsating flow; heat transfer enhancement; numerical simulation

0 引言

隨著電子及通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能芯片和集成電路的使用越來越廣泛。而電子器件芯片的功率不斷增大體積逐漸縮小，使其散熱問題日益突出，因此，保證電子設(shè)備在安全溫度下運(yùn)行非常關(guān)鍵[1]。近年來，利用脈動流技術(shù)強(qiáng)化通道內(nèi)流體的傳熱和傳質(zhì)性能得到研究者的廣泛關(guān)注。潘朝峰等[2]總結(jié)了脈動流的發(fā)生形式和脈動強(qiáng)化換熱機(jī)理。文獻(xiàn)[3-4]通過數(shù)值模擬研究了脈動流對帶凹槽通道換熱的影響，得出脈動速度使凹槽中的旋渦周期性的脫落，增強(qiáng)了凹槽中流體與主流體的摻混，從而得出脈動流對凹槽通道起到強(qiáng)化傳熱的結(jié)果。文獻(xiàn)[5-7]研究了脈動流對帶有縱向渦流發(fā)生器矩形通道內(nèi)的對流傳熱問題，發(fā)現(xiàn)脈動振幅和頻率對流動和換熱影響較大。楊志超等[8]通過實(shí)驗(yàn)和模擬研究脈動流對三角凹槽通道內(nèi)的流動與換熱的影響，結(jié)果表明：存在一個使強(qiáng)化傳熱效果最好的最佳脈動頻率。Armin等[9]對圓柱體脈動流動中的非穩(wěn)態(tài)傳熱動力學(xué)進(jìn)行研究，得出傳熱動力學(xué)受多個時間尺度的控制。Akdag等[10]對脈動納米流體在波紋通道中進(jìn)行研究，得出在脈動流下納米顆粒換熱增強(qiáng)的結(jié)果。Zamzari等[11]對水平通道內(nèi)脈動流熵產(chǎn)與換熱的數(shù)值研究，得出脈動頻率和振幅對熵產(chǎn)有強(qiáng)烈的影響。Zhang等[12]研究了3種脈動形式對微通道散熱器傳熱的影響，得出正弦波作用下的傳熱系數(shù)最高。Naphon等[13]利用脈動流和磁場對螺旋波紋管中TiO2-水納米流體對流換熱的影響，得出組合傳熱提高了熱性能。Yang等[14]對蒸發(fā)器內(nèi)兩相脈動流動的傳熱測量及流型可視化進(jìn)行研究，結(jié)果表明在短周期的脈動流中，可以最大限度地提高傳熱。

可以看出，脈動流強(qiáng)化傳熱已受到廣泛研究，但在翅片散熱研究方面的成果相對較少。本文將脈動流用于電子器件冷卻，能豐富脈動流的應(yīng)用范圍，指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。

1 散熱器模型及計(jì)算方法

1.1 物理模型

將散熱器置于一矩形通道中，如圖1所示，空氣由左向右流過散熱器。散熱器底部基板中間部位為發(fā)熱元件。散熱器結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。通道及散熱器尺寸列于表1。需要說明的是，散熱器基板的寬與通道的寬相等，翅片頂端到通道上底板之間的間隙為2 mm。

1.2 計(jì)算方法

分析脈動流作用下散熱器的對流散熱效果，采用的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，具體描述如下：

1）連續(xù)性方程為

[ρ?ui?xi=0]， （1）

2）動量方程為

[ρ??xj（uiuj）=-?p?xi+μ??xj（?ui?xj）]， （2）

3）能量方程為

[ρ??xjujT=λcp??xj（?T?xj）]， （3）

式中：ρ為密度，kg/m3;ui，uj分別為i和j方向上的速度分量，m/s;xi，xj分別為i，j方向的坐標(biāo);μ為動力粘度，Pa·s;p 為壓力，Pa;T為溫度，K;λ為導(dǎo)熱系數(shù)W/（m·K）;cp為流體的定壓比熱流，J/（kg·K）。

控制方程的求解采用SIMPLE算法。邊界條件設(shè)置：給定進(jìn)口溫度和脈動風(fēng)速，風(fēng)速計(jì)算式為uin =u0+Asin（2πft），式中uin為矩形通道進(jìn)口速度，u0為穩(wěn)流時的進(jìn)口速度，A為脈動振幅，f為脈動頻率，t為時間。底面為等熱流密度邊界條件，熱流密度為q =1.0×105 W/m2，通道兩外側(cè)壁面設(shè)為絕熱邊界條件。

計(jì)算中用到的參數(shù)定義如下：

[Re=ρuDhμ]， （4）

[Nu=hDhλ]， （5）

[f=2ΔPρu2lDhL]， （6）

式中：Dh為通道橫截面當(dāng)量直徑，m;h為矩形通道內(nèi)對流換熱系數(shù)，W/（m2·K），h=q/ΔT;L為流動方向總長度，m;Δp為進(jìn)出口壓力差;溫差ΔT取代數(shù)平均溫差。

無量綱瞬時強(qiáng)化換熱因子Eh和瞬時阻力因子Ef定義為

[Eh=NuunNus] ， （7）

[Ef=funfs] ， （8）

式中：下標(biāo)s表示穩(wěn)流下的平均值;下標(biāo)un表示脈動工況下瞬時值。

一個脈動周期內(nèi)平均強(qiáng)化換熱因子Ehav和平均阻力因子Efav分別為

[Ehav=1T0TEhdt] ， （9）

[Efav=1T0TEfdt]。 （10）

綜合強(qiáng)化換熱因子η定義為

[η=EhavEfav13]。 （11）

無量綱量時間τ定義為

[τ=t/T]， （12）

式中：t為當(dāng)前時間;T為脈動周期。故τ表示脈動周期數(shù)量。在后續(xù)分析中，待流動與傳熱達(dá)到周期穩(wěn)定后，分析一個周期內(nèi)的流動與換熱特性。

2 模型驗(yàn)證

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，散熱器網(wǎng)格局部加密，散熱器網(wǎng)格劃分如圖3所示。不同網(wǎng)格數(shù)時發(fā)熱元件的平均溫度Tav如圖4所示。可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在大約6.1×105時，得到網(wǎng)格獨(dú)立性解。

為了驗(yàn)證模型的正確性，按本文的模擬方法對文獻(xiàn)[8]中的分段式平直翅片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。模擬的模型尺寸和邊界條件與文獻(xiàn)[8]一致，即散熱器肋長70 mm，肋寬62.8 mm，肋高30.4 mm，肋厚1 mm，肋間距2.04 mm，基板厚4 mm，流道數(shù)19個，散熱器肋長分為相等的4段，縫寬2.5 mm，功率為30 W。模擬的實(shí)驗(yàn)得到的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h，如圖5所示。可以看出，兩者的誤差小于5%，證明模型可靠。

3 結(jié)果與討論

主要分析脈動振幅A和脈動頻率f對分段式平直翅片散熱器散熱性能的影響。研究過程中，脈動速度的平均速度取固定值5 m/s。脈動振幅的取值包括1 m/s、2 m/s、3 m/s和4 m/s等4種情況;脈動頻率的取值包括1 Hz，2 Hz，2.5 Hz，3.2 Hz，4 Hz和5 Hz等6種情況。分析脈動振幅的影響時，脈動頻率取1 Hz，分析脈動頻率的影響時，脈動振幅取4 m/s。

首先按照穩(wěn)態(tài)過程模擬，待迭代收斂后轉(zhuǎn)為非穩(wěn)態(tài)模擬。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大約經(jīng)過8個周期后，脈動流散熱達(dá)到周期性穩(wěn)定。在后續(xù)分析中，對第9個周期內(nèi)的流動與換熱特性進(jìn)行分析。

3.1 脈動振幅對散熱器性能的影響

圖6所示為1個周期內(nèi)，通道出口空氣平均溫度隨時間的變化。可以看出，平均溫度近似呈正弦函數(shù)變化，但是，變化方向與速度相反，即速度增加則出口溫度降低，反之亦然。前半周期出口溫度變化很小，后半周期變化較大。隨著脈動振幅的增大，出口溫度波動越大。

圖7～圖9分別所示為1個周期內(nèi)，脈動振幅對換熱性能、阻力性能和綜合換熱性能的影響。可以看出，瞬時強(qiáng)化換熱因子Eh呈正弦函數(shù)變化，且脈動振幅A越大，Eh的振幅也越大。平均強(qiáng)化換熱因子Ehav大于1，表明與均勻流相比，脈動速度能增強(qiáng)對流傳熱，且脈動振幅越大，強(qiáng)化換熱效果越好，但隨著振幅增加，Ehav增幅下降;阻力變化與出口溫度變化相似，但隨著振幅的增加，Efav增幅提高;脈動流作用下，綜合換熱因子η>1，且隨著脈動振幅的增大，η先增大后減小，在振幅A=3 m/s時達(dá)最大值。

3.2 脈動頻率對散熱性能的影響

圖10所示為一個脈動周期內(nèi)，不同脈動頻率時通道出口空氣平均溫度隨時間的變化。可以看出，隨著脈動頻率的增加，出口平均溫度的波動最大值逐漸減小。這是由溫度變化的滯后現(xiàn)象造成的。

圖11～圖13分別所示為一個周期內(nèi)，脈動頻率對換熱性能、阻力性能和綜合換熱性能的影響。可以看出，隨著脈動頻率的增加，瞬時強(qiáng)化換熱因子Ehav逐漸減小，但變化幅度不大;阻力隨脈動頻率的變化較明顯，脈動頻率越大，阻力因子的波動越劇烈。隨著脈動頻率增大，平均阻力因子Efav逐漸減小，當(dāng)頻率大于4 Hz時，平均阻力因子的減小幅度明顯下降;隨著脈動頻率的增大，綜合換熱因子η先增大后減小，頻率為4 Hz時η最大。

4 結(jié)論

本文針對電子器件強(qiáng)化散熱的問題，提出了對分段式平直翅片散熱器，采用正弦波脈動流對其進(jìn)行冷卻，分析脈動振幅和頻率對散熱性能的影響，得到如下結(jié)論：

1）脈動流能增強(qiáng)翅片散熱器的散熱效果。

2）隨著脈動振幅增大，瞬時換熱性能和瞬時阻力性能波動越來越強(qiáng)，平均換熱性能和平均阻力性能增加;存在最佳振幅使綜合換熱性能最高。

3）隨著脈動頻率增大，瞬時換熱性能變化不大，平均換熱性能逐漸減小;瞬時阻力性能波動劇烈且波動幅值增大，平均阻力性能減小;存在最佳頻率使綜合換熱性能最高。

參考文獻(xiàn)：

[1]? ? 路慧霞，馬曉建，趙凌. 脈動流動強(qiáng)化傳熱的研究進(jìn)展[J]. 節(jié)能技術(shù)，2008，26（2）：168-171，188.

[2]? ? 潘朝峰，葛憶茹，陳寧，等. 脈動強(qiáng)化換熱的研究與進(jìn)展[J]. 中外船舶科技，2017（2）：31-36.

[3]? ? 何雅玲，楊衛(wèi)衛(wèi)，趙春鳳，等. 脈動流動強(qiáng)化換熱的數(shù)值研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26（3）：495-497.

[4]? ? TATSUO N，NAOKI O，YOSHIMICHI Y，et al. Influence of imposed oscillatory frequency on mass transfer enhancement of grooved channels for pulsatile flow [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43（13）：2365-2374.

[5]? ? WANG Y，HE Y L，YANG W W，et al. Numerical analysis of flow resistance and heat transfer in a channel with delta winglets under laminar pulsating flow [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2015，82：51-65.

[6]? ? 唐凌虹，袁淑霞，譚思超，等. 縱向渦發(fā)生器作用下矩形通道內(nèi)脈動流流動換熱性能研究[J]. 工業(yè)加熱，2015，44（6）：11-15.

[7]? ? 吳峰，王秋旺，王令，等. 脈動流通道內(nèi)帶縱向渦發(fā)生器動態(tài)特性研究[J]. 核動力工程，2007，28（1）：63-67.

[8]? ? 陸正裕，熊建銀，屈治國，等. CPU散熱器換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25（5）：861-863.

[9]? ? ARMIN W，WOLFGANG P. Dynamics of unsteady heat transfer in pulsating flow across a cylinder[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2017，109：1111-1131.

[10]? AKDAG U，AKCAY S，DEMIRAL D. Heat transfer enhancement with laminar pulsating nanofluid flow in a wavy channel[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，59：17-23.

[11]? ZAMZARI F，MEHREZ Z，EL CAFSI A，et al. Numerical investigation of entropy generation and heat transfer of pulsating flow in a horizontal channel with an open cavity[J]. Journal of Hydrodynamics，2017，29（4）：632-646.

[12]? ZHANG H G，LI S N，CHENG J P，et al. Numerical study on the pulsating effect on heat transfer performance of pseudo-plastic fluid flow in a manifold microchannel heat sink[J]. Applied Thermal Engineering，2018，129：1092-1105.

[13]? NAPHON P，WIRIYASART S. Pulsating flow and magnetic field effects on the convective heat transfer of TiO2 -water nanofluids in helically corrugated tube[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2018，125：1054-1060.

[14]? YANG P，ZHANG Y H，WANG X F，et al. Heat transfer measurement and flow regime visualization of two-phase pulsating flow in an evaporator[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2018，127：1014-1024.

[責(zé)任編輯 田 豐]