自然对流与强制对流及计算实例Word下载.docx

1、代表长度L与C是成对界说的.计算代表长度的公式因物体形状而异,因此,在计算的时候,需要从表1中选择相似的形状. 需要注意的是,暗示年夜小的L位于分母.这就暗示物体越小,对流传热系数越年夜. T是指公式（2）中的（概况温度-流体温度）.温差变年夜后,传热系数也会变年夜.物体与空气之间的温差越年夜,紧邻物体那部份空气的升温越年夜.因此,风速加快后,传热系数也会变年夜. 公式（3）叫做“半理论半实验公式”.第二篇中介绍的热传导公式能够通过求解微分方程的方式求出,但自然对流与气流有关,没有完全适用的理论公式.能建立理论公式的,只有发生的气流较简单的平板垂直放置的情况.因为在这种情况下,理论上的温度鸿沟

2、线的厚度可以计算出来. 可是,如果发热板水平放置,气流就会变得复杂,计算的难度也会增加.这种情况下,就要根据原始的理论公式,通过实验求出系数.也就是说,在公式（3）中,理论计算得出的数值0.25可以直接套用,C的值则要通过实验求出. 自然对流传热系数无法年夜幅改变 图4：自然对流传热系数无法年夜幅改变物体沿流动方向的尺寸越小,单元面积的散热量越年夜.自然对流的传热系数随斜率和面的曲率变动,但变动的幅度不年夜.而强制空冷可以通过提高风速和湍流化,年夜幅改变传热系数.形状和配置对自然对流的传热系数会发生多年夜的影响（图4）？举例来说,平面的传热系数h即是 2.510.56（Ts-Ta）/H）0.2

3、5, 而圆筒面的传热系数h即是 0.55（Ts-Ta）/H）0.25. 平面为0.56,圆筒面为0.55,分歧只有2左右,由此可见,平面与圆筒面的传热系数分歧不年夜. 这就意味着当发热板倾斜时,下概况的传热能力会越来越差,而上概况的传热能力基本不变.发生倾斜后,下概况只受到沿倾斜面的向量成份的浮力.也就是说,下概况的浮力变弱. 假设垂直时的传热系数为hv,倾斜时的传热系数为h,物体沿垂直方向倾斜角度,此时,下概况的传热系数年夜致为：h=hv（cos）0.25（4） （在060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,传热系数也没有太年夜变动.但

4、一旦接近水平,传热系数就会急剧降低. 通过上面的介绍,年夜家应该已经明白,提高自然对流传热系数其实难度颇年夜.但物体越小,对流传热系数越年夜.比如说,我们可以采纳把散热器翅片分割成几个部份的方法.在翅片截断的处所,热鸿沟层将重置,起到阻止鸿沟层变厚的作用,借此可以提高对流传热系数.但这样做会减少翅片的概况积,总的散热能力依然变动不年夜. 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.装置风扇的强制对流的公式如下. 热流量=强制对流传热系数（概况温度-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

5、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分歧.强制对流时,一旦提高风速,状态也会在途中随之改变.比如说,即即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.径直向上的处所是层流,飘散的处所是湍流. 在层流区,香烟烟雾中颗粒物是单向流动.而在湍流区,颗粒物会处处乱飞,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,中途转酿成湍流. 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,冷空气会获得靠近壁面的机会,更加容易传热.也就是说,湍流化能够降

6、高温度.尤其是对低流速和水冷式,湍流化十分有效.但湍流化也会招致流体阻力增年夜,这回增加风扇和水泵的负荷. 强制形成湍流化的起始点时,可以采纳在流体的通道中设置突起物（湍流增进器）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,但在电子产物的热设计中,可以认为基本不存在自然湍流化.但温度到达500600的高温后,因为浮力增强,所以也会呈现湍流化. 遏制流动的力与增进流动的力,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,而增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

7、近壁面的处所,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.而惯性力由速度发生,只要提高速度,惯性力就会随之增年夜. 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,流动的区域不竭扩年夜.因此,粘性力会降低.而在浮力的加速作用下,空气的流速不竭加快.因而发生了湍流化. 根据层流和湍流的分歧,强制对流的传热系数公式存在相当年夜的分歧.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

8、相关公式是实验性公式,系数和指数都有变动. 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,无妨把两个系数都计算出来,选择传热系数年夜的一方. 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）,温度坚持在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年夜分歧？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）的平板的升温坚持在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）

9、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,这就必需首先求出传热系数,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）温度必需要屡次计算,比力麻烦.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,获得的温度一般不即是30,此时要使用得出的数值重新计算.经过反复计算,逐渐迫近正确数值. （a）以100mm的短边为高的垂直平板 传热系数

10、 h概况积 S=0.10.22=0.04m2 散热量 W=0.046.2940=10.1W （b）以200mm的长边为高的垂直平板 传热系数 h=5.2940=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年夜,如果是印刷电路板,散热量上的分歧还会更年夜.倘若导热能力差,平板上侧与下侧之间将会呈现温差.纵向放置的话,上侧与下侧的温差会更年夜,最高温度将呈现相当年夜的分歧. 水平放置时,平板上侧与下侧的传热系数分歧,计算比力复杂.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

11、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=（0.12）/（0.10.2）=0.133m 上概况对流传热系数 h=5.43 W/m2K 上概况概况积 S=0.10.2=0.02m2 上概况散热量 W=0.025.4340=4.34W 下概况对流传热系数 h=2.72 W/m2K 下概况概况积 S=0.1下概况散热量 W=0.022.7240=2.17W 总散热量 W=4.342.17=6.51W 这采纳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】年夜空间发生热对流,小空间发生热传导 接下来看一下在200mm200mm20mm的平整机壳中

12、装置180mm180mm1mm的电路板（发热功率5W）的情况（图7）. 图7：【练习2】空间年夜为热对流,空间小为热传导思考在尺寸为200mm20mm的机壳内装置180mm1mm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.年夜家可以将其看成是加热器.关于电路板的装置位置,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,

13、空间够年夜时发生的是热对流.划分的界限值随状态和发热量而变,年夜致为几毫米.如果小于该界限值,空气将无法流动,年夜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.热传导的热阻即是空气层的厚度/（传热面积空气的导热系数）,因此（a）的情况下, 热阻（1mm）=0.001/（0.180.180.03）=1.03K/W；（b）的情况下, 热阻（7.5）=0.0075/（0.180.03）=7.7K/W, 比（a）的热阻年夜很多. 而在（c）的情况下,距离到达15mm,可以

14、认为能充沛发生对流.此时,对流的热阻增加到两个（电路板概况空气,空气机壳顶面）.依照传热系数为10W/m2K计算, 电路板到空气的对流热阻=1/（电路板概况积自然对流传热系数（水平） 空气到机壳的对流热阻=1/（机壳概况积热阻（15mm）=1/（0.1810）1/（0.210）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获得准确结果,因此,笔者试着利用热流体解析模拟进行精密计算,获得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 这就意味着必需要防止温度最高的（b）的情况.57mm左右的距离难以发生对流,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.装置部件的时候很容易发生这么年夜的缝隙,在这种情况下,无妨直接让电路板与机壳接触,通过热传导散热.