平面为0.56，圆筒面为0.55，差别只有2％左右，由此可见，平面与圆筒面的传热系数差别不大。
这就意味着当发热板倾斜时，下表面的传热能力会越来越差，而上表面的传热能力基本不变。
发生倾斜后，下表面只受到沿倾斜面的向量成分的浮力。
也就是说，下表面的浮力变弱。
假设垂直时的传热系数为hv，倾斜时的传热系数为hθ，物体沿垂直方向倾斜角度θ，此时，下表面的传热系数大致为：
hθ=hv·（cosθ）0.25…（4）
（θ在0～60度左右的范围内时公式成立）
如果倾斜45度，传热系数将缩小8％左右。
由此可知，即使倾斜发热板，传热系数也没有太大变化。
但一旦接近水平，传热系数就会急剧降低。
通过上面的介绍，大家应该已经明白，提高自然对流传热系数其实难度颇大。
但物体越小，对流传热系数越大。
比方说，我们可以采用把散热器翅片分割成几个部分的方法。
在翅片截断的地方，热边界层将重置，起到阻止边界层变厚的作用，借此可以提高对流传热系数。
但这样做会减少翅片的表面积，总的散热能力依然变化不大。
强制对流传热系数的简易计算公式
接下来看看强制对流的传热系数。
安装风扇的强制对流的公式如下。
热流量=强制对流传热系数×物体表面积×（表面温度-流体温度）…（5）
强制对流传热系数的计算也有很多种公式（图5）。
图5：
强制对流热传导的简易计算公式
强制对流时，计算热流量使用与强制对流对应的传热系数。
根据流体的流动是在层流区域还是在湍流区域，计算使用的传热系数均不同。
强制对流时，一旦提高风速，状态也会在途中随之改变。
比方说，即便是在没有风的房间里，香烟的烟雾也是一开始径直向上，在途中四处飘散。
径直向上的地方是层流，飘散的地方是湍流。
在层流区，香烟烟雾中颗粒物是单向流动。
而在湍流区，颗粒物会到处乱飞，随着时间的推移，烟雾的形状将发生改变。
湍流是非定常流，流向会随时间改变。
印刷电路板周边的空气也一样，最初为层流，中途转变为湍流。
从散热的角度来看，湍流更有利于散热。
因为在湍流中，热空气与冷空气将相互混合，冷空气会得到靠近壁面的机会，更加容易传热。
也就是说，湍流化能够降低温度。
尤其是对于低流速和水冷式，湍流化十分有效。
但湍流化也会导致流体阻力增大，这回增加风扇和水泵的负荷。
强制形成湍流化的起始点时，可以采用在流体的通道中设置突起物（湍流促进器）的方式。
在强制空冷的散热器中，可以看到这种设置突起的例子（注4）。
（注4）自然对流也存在湍流，但在电子产品的热设计中，可以认为基本不存在自然湍流化。
但温度达到500～600℃的高温后，因为浮力增强，所以也会出现湍流化。
遏制流动的力与促进流动的力，二者的平衡决定着湍流的起始点。
遏制流动的力是粘性力，在壁面附近的作用较强，而促进流动的力则是惯性力或浮力。
粘性力强，则流动受到遏制。
因为气流之间会相互约束。
例如，在细缝和靠近壁面的地方，粘性力较强。
同样，翅片与翅片之间的距离越窄，粘性力越强，也就很难发生湍流化。
而惯性力由速度产生，只要提高速度，惯性力就会随之增大。
仍以香烟的烟雾为例，在烟雾开始流动时，热源上部的空气缓慢上升，发生流动的区域也十分狭窄。
但随着流动的进行，周围的静止流体也被带动，流动的区域不断扩大。
因此，粘性力会降低。
而在浮力的加速作用下，空气的流速不断加快。
因而产生了湍流化。
根据层流和湍流的不同，强制对流的传热系数公式存在相当大的差别。
首先是层流的公式。
层流平均传热系数hm=3.86√（V/L）…（6）
其中加入了空气的特性值，3.86与自然对流公式（3）中的2.51含义相同。
湍流相关公式是实验性公式，系数和指数都有变化。
湍流平均传热系数hm=6×（V/L0.25）0.8…（7）
要想简单进行判断的话，不妨把两个系数都计算出来，选择传热系数大的一方。
下面，让我们使用上面介绍的知识，定量研究对流的散热能力。
【练习1】平板的放置方式与散热能力
假设有一块长200mm、宽100mm（忽略厚度），温度保持在40℃的平板（图6），平板的温度均匀，而且没有热辐射，下列放置方式的散热能力有多大差别？
图6：
【练习1】平板的放置方式与散热能力
思考纵长200mm×横宽100mm（无视厚度）的平板的升温保持在40K（℃）时，图中3种模式的散热能力。
假设平板的温度均匀，且没有热辐射。
（a）垂直放置（以100mm的短边为高）
（b）垂直放置（以200mm的长边为高）
（c）水平放置
需要求的数值是热流量，相当于散热量，这就必须首先求出传热系数，需要使用公式（3）。
（a）和（b）是垂直放置，C值使用平板垂直放置时的数值。
因为升温固定在40K（℃），所以⊿T为40（注5）。
至此，所有数值已经齐备，可以计算出传热系数。
（注5）温度必须要多次计算，比较麻烦。
如果不知道温度，就求不出传热系数，因此，最初先假设温度为30℃，计算出h。
把结果代入公式进行计算，得到的温度一般不等于30℃，此时要使用得出的数值重新计算。
经过反复计算，逐渐逼近正确数值。
（a）以100mm的短边为高的垂直平板
传热系数h
=2.51×0.56×（40/0.1）0.25
=6.29W/m2K
表面积S=0.1×0.2×2=0.04m2
散热量W=0.04×6.29×40=10.1W
（b）以200mm的长边为高的垂直平板
传热系数h=
2.51×0.56×（40/0.2）0.25
=5.29W/m2K
表面积S=0.1×0.2×2=0.04m2
散热量W=0.04×5.29×40=8.5W
由上述计算可知，（b）的散热量比（a）低15％左右。
但计算的条件是平板的温度完全均匀，也就是导热系数无限大，如果是印刷电路板，散热量上的差别还会更大。
倘若导热能力差，平板上侧与下侧之间将会出现温差。
纵向放置的话，上侧与下侧的温差会更大，最高温度将出现相当大的差别。
水平放置时，平板上侧与下侧的传热系数不同，计算比较复杂。
上侧的C值为0.52，下侧为0.26，刚好是上侧的一半。
因此，下侧的散热量也是上侧的一半。
这种情况需要分别计算上侧和下侧的散热量，然后相加。
（c）水平放置平板
代表长度L=（0.1×0.2×2）/（0.1＋0.2）=0.133m
上表面对流传热系数h
=2.51×0.52×（40/0.133）0.25
=5.43W/m2K
上表面表面积S=0.1×0.2=0.02m2
上表面散热量W=0.02×5.43×40=4.34W
下表面对流传热系数h
=2.51×0.26×（40/0.133）0.25
=2.72W/m2K
下表面表面积S=0.1×0.2=0.02m2
下表面散热量W=0.02×2.72×40=2.17W
总散热量W=4.34＋2.17=6.51W
这采用的是热计算中经常使用的计算每个面的发热量，然后相加的方法。
【练习2】大空间发生热对流，小空间发生热传导
接下来看一下在200mm×200mm×20mm的平整机壳中安装180mm×180mm×1mm的电路板（发热功率5W）的情况（图7）。
图7：
【练习2】空间大为热对流，空间小为热传导
思考在尺寸为200mm×200mm×20mm的机壳内安装180mm×180mm×1mm的印刷电路板（发热功率为5W）时，图中3种情况下的散热能力。
假设没有热辐射。
大家可以将其看成是加热器。
关于电路板的安装位置，下面哪种是正确的？
另外，这里假设热辐射可以忽略。
（a）电路板设置在上部（距离机壳顶面1mm）时温度最低
（b）电路板设置在中部（距离机壳顶面7.5mm）时温度最低
（c）电路板设置在下部（距离机壳顶面15mm）时温度最低
这个题目中有一点要注意，那就是空间狭窄、空气无法流动时，发生的是热传导，空间够大时发生的是热对流。
划分的界限值随状态和发热量而变，大致为几毫米。
如果小于该界限值，空气将无法流动，大于该界限值空气就可以流动。
定性地来说，只要距离足够，空气就能循环，从而带走热能，使部件释放的热传到机壳顶面并发散出去，由此起到降温的作用。
上面提到，当距离很小时发生的是热传导。
热传导的热阻等于空气层的厚度/（传热面积×空气的导热系数），因此（a）的情况下，
热阻（1mm）=0.001/（0.18×0.18×0.03）=1.03K/W；
（b）的情况下，
热阻（7.5㎜）=0.0075/（0.18×0.18×0.03）=7.7K/W，
比（a）的热阻大很多。
而在（c）的情况下，距离达到15mm，可以认为能充分产生对流。
此时，对流的热阻增加到两个（电路板表面→空气，空气→机壳顶面）。
按照传热系数为10W/m2K计算，
电路板到空气的对流热阻
=1/（电路板表面积×自然对流传热系数（水平））
空气到机壳的对流热阻
=1/（机壳表面积×自然对流传热系数（水平））
热阻（15mm）
=1/（0.18×0.18×10）＋1/（0.2×0.2×10）
=5.6K/W
由此可知，（a）的情况下热阻最小、温度最低。
估计（b）的温度最高，原因是基本没有发生流动。
传热系数单靠手工计算很难得到准确结果，因此，笔者试着利用热流体解析模拟进行精密计算，得到了这三种情况下电路板的温度。
结果为，当环境温度为35℃时，
（a）距离1mm时，电路板温度为56℃
（b）距离7.5mm时，电路板温度为72.5℃
（c）距离15mm时，电路板温度为59.6℃
这就意味着必须要避免温度最高的（b）的情况。
5～7mm左右的距离难以产生对流，进行热传导时存在空气层过厚的问题，很难散热，是最好要避开的距离。
安装部件的时候很容易产生这么大的缝隙，在这种情况下，不妨直接让电路板与机壳接触，通过热传导散热。
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