自然對流與強制對流及計算實例

1、自然對流與強制對流及計算實例熱設(shè)計是電子設(shè)備開發(fā)中必不可少的環(huán)節(jié)。本連載從熱設(shè)計的基礎(chǔ)傳熱著手，介紹基本的熱設(shè)計方法。前面介紹的熱傳導(dǎo)具有消除個體內(nèi)溫差的效果。上篇紹的熱對流，則具有降低平均溫度的效果。下面就通過具體的計算來分別說明自然對流與強制對流的情況。首先，自然對流的傳熱系數(shù)可以表述為公式（2）。熱流量=自然對流傳熱系數(shù)X物體表面積X （表面溫度 -流體溫度）（2）很多文獻中都記載了計算傳熱系數(shù)的公式，可以把流體的特性值帶入公式中進行計算，可以適用于所有流體。但每次計算的時候，都必須代入五個特性值。因此，公式（3）事先代入了空氣的特性值，簡化了公式。自然對流傳熱系數(shù)h=2 .51C （，

2、T/L） 0.25 （W/m2K （3）2.51 是代入空氣的特性值后求得的系數(shù)。如果是向水中散熱，2.51 需要換成水的特性值。公式（3）出現(xiàn)了 G L、三個參數(shù)。C和L從表1中選擇。例如，發(fā)熱板豎立和橫 躺時，周圍空氣的流動各不相同。對流傳熱系數(shù)也會隨之改變，系數(shù) C就負責吸收這 一差異。代表長度L與C是成對定義的。計算代表長度的公式因物體形狀而異，因此，在計算的時候，需要從表1 中選擇相似的形狀。需要注意的是，表示大小的L 位于分母。這就表示物體越小，對流傳熱系數(shù)越大。是指公式（2）中的（表面溫度-流體溫度）。溫差變大后，傳熱系數(shù)也會變大。物體與空氣之間的溫差越大，緊鄰物體那部分空氣的升

3、溫越大。因此，風速加快后，傳 熱系數(shù)也會變大。公式（ 3）叫做“半理論半實驗公式”。第二篇中介紹的熱傳導(dǎo)公式能夠通過求解微分方程的方式求出，但自然對流與氣流有關(guān)，沒有完全適用的理論公式。能建立理論公式的，只有產(chǎn)生的氣流較簡單的平板垂直放置的情況。因為在這種情況下，理論上的溫度邊界線的厚度可以計算出來。但是，如果發(fā)熱板水平放置，氣流就會變得復(fù)雜，計算的難度也會增加。這種情況下， 就要根據(jù)原始的理論公式，通過實驗求出系數(shù)。也就是說，在公式(3)中，理論計算得出的數(shù)值0.25可以直接套用，C的值則要通過實驗求出。自然對流傳熱系數(shù)無法大幅改變？圖4:自然對流傳熱系數(shù)無法大幅改變物體沿流動方向的尺寸越小

4、，單位面積的散熱量越大。自然對流的傳熱系數(shù)隨斜率和 面的曲率變化，但變化的幅度不大。而強制空冷可以通過提高風速和湍流化，大幅改 變傳熱系數(shù)。形狀和配置對于自然對流的傳熱系數(shù)會產(chǎn)生多大的影響(圖4) ?舉例來說，平面的傳熱系數(shù)h等于2.51 X 0.56 X ( (Ts-Ta) /H) 0.25,而圓筒面的傳熱系數(shù)h等于2.51 X 0.55 X ( (Ts-T<a) /H) 0.25。平面為0.56,圓筒面為0.55,差別只有2%左右，由此可見，平面與圓筒面的傳熱系 數(shù)差別不大。這就意味著當發(fā)熱板傾斜時，下表面的傳熱能力會越來越差，而上表面的傳熱能力基 本不變。發(fā)生傾斜后，下表面只受到沿

5、傾斜面的向量成分的浮力。也就是說，下表面 的浮力變?nèi)?。假設(shè)垂直時的傳熱系數(shù)為hv,傾斜時的傳熱系數(shù)為h8 ,物體沿垂直方向傾斜角度8, 此時，下表面的傳熱系數(shù)大致為：h 0 =hv - (cos 8) 0.25 (4)(9在060度左右的范圍內(nèi)時公式成立)如果傾斜45度，傳熱系數(shù)將縮小8%左右。由此可知，即使傾斜發(fā)熱板，傳熱系數(shù)也 沒有太大變化。但一旦接近水平，傳熱系數(shù)就會急劇降低。通過上面的介紹，大家應(yīng)該已經(jīng)明白，提高自然對流傳熱系數(shù)其實難度頗大。但物體越小，對流傳熱系數(shù)越大。比方說，我們可以采用把 散熱器翅片分割成幾個部分的方 法。在翅片截斷的地方，熱邊界層將重置，起到阻止邊界層變厚的作用

6、，借此可以提 高對流傳熱系數(shù)。但這樣做會減少翅片的表面積，總的散熱能力依然變化不大。強制對流傳熱系數(shù)的簡易計算公式接下來看看強制對流的傳熱系數(shù)。安裝風扇的強制對流的公式如下 熱流量二強制對流傳熱系數(shù)X物體表面積X （表面溫度 -流體溫度） （5）強制對流傳熱系數(shù)的計算也有很多種公式（圖 5）。圖5:強制對流熱傳導(dǎo)的簡易計算公式強制對流時，計算熱流量使用與強制對流對應(yīng)的傳熱系數(shù)。根據(jù)流體的流動是在層流 區(qū)域還是在湍流區(qū)域，計算使用的傳熱系數(shù)均不同。強制對流時，一旦提高風速，狀態(tài)也會在途中隨之改變。比方說，即便是在沒有風的 房間里，香煙的煙霧也是一開始徑直向上，在途中四處飄散。徑直向上的地方是層流

7、， 飄散的地方是湍流。在層流區(qū)，香煙煙霧中顆粒物是單向流動。而在湍流區(qū)，顆粒物會到處亂飛，隨著時 間的推移，煙霧的形狀將發(fā)生改變。湍流是非定常流，流向會隨時間改變。印刷電路 板周邊的空氣也一樣，最初為層流，中途轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。從散熱的角度來看，湍流更有利于散熱。因為在湍流中，熱空氣與冷空氣將相互混合， 冷空氣會得到靠近壁面的機會，更加容易傳熱。也就是說，湍流化能夠降低溫度。尤 其是對于低流速和水冷式，湍流化十分有效。但湍流化也會導(dǎo)致流體阻力增大，這回 增加風扇和水泵的負荷。強制形成湍流化的起始點時，可以采用在流體的通道中設(shè)置突起物（湍流促進器）的方式。在強制空冷的散熱器中，可以看到這種設(shè)置突起的例

8、子（注4） o（注4）自然對流也存在湍流，但在電子產(chǎn)品的熱設(shè)計中，可以認為基本不存在自然湍 流化。但溫度達到500600c的高溫后，因為浮力增強，所以也會出現(xiàn)湍流化。遏制流動的力與促進流動的力，二者的平衡決定著湍流的起始點。遏制流動的力是粘 性力，在壁面附近的作用較強，而促進流動的力則是慣性力或浮力。粘性力強，則流動受到遏制。因為氣流之間會相互約束。例如，在細縫和靠近壁面的 地方，粘性力較強。同樣，翅片與翅片之間的距離越窄，粘性力越強，也就很難發(fā)生湍流化。而慣性力由 速度產(chǎn)生，只要提高速度，慣性力就會隨之增大。仍以香煙的煙霧為例，在煙霧開始流動時，熱源上部的空氣緩慢上升，發(fā)生流動的區(qū) 域也十分

9、狹窄。但隨著流動的進行，周圍的靜止流體也被帶動，流動的區(qū)域不斷擴大。 因此，粘性力會降低。而在浮力的加速作用下，空氣的流速不斷加快。因而產(chǎn)生了湍 流化。根據(jù)層流和湍流的不同，強制對流的傳熱系數(shù)公式存在相當大的差別。首先是層流的公式。層流平均傳熱系數(shù)hm=3.86y （V/L）（6）其中加入了空氣的特性值，3.86 與自然對流公式（3）中的2.51 含義相同。湍流相關(guān)公式是實驗性公式，系數(shù)和指數(shù)都有變化。湍流平均傳熱系數(shù) hm=6< （V/L0.25） 0.8（7）要想簡單進行判斷的話，不妨把兩個系數(shù)都計算出來，選擇傳熱系數(shù)大的一方。下面，讓我們使用上面介紹的知識，定量研究對流的散熱能力。

10、【練習(xí) 1】平板的放置方式與散熱能力假設(shè)有一塊長200mm寬100mn<忽略厚度），溫度保持在40c的平板（圖6）,平板 的溫度均勻，而且沒有熱輻射，下列放置方式的散熱能力有多大差別？圖 6：【練習(xí)1】平板的放置方式與散熱能力思考縱長200m由橫寬100mm（無視厚度）的平板的升溫保持在 40K （C）時，圖中3種模式的散熱能力。假設(shè)平板的溫度均勻，且沒有熱輻射。（a）垂直放置（以100mm勺短邊為高）（b）垂直放置（以200mm勺長邊為高）（c）水平放置需要求的數(shù)值是熱流量，相當于散熱量，這就必須首先求出傳熱系數(shù)，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時的

11、數(shù)值。因為升溫固定在40K（C）, 所以為40 （注5）。至此，所有數(shù)值已經(jīng)齊備，可以計算出傳熱系數(shù)。（注5） 溫度必須要多次計算，比較麻煩。如果不知道溫度，就求不出傳熱系數(shù)，因此，最初先假設(shè)溫度為30C,計算出h。把結(jié)果代入公式進行計算，得到的溫度一般不等于 30，此時要使用得出的數(shù)值重新計算。經(jīng)過反復(fù)計算，逐漸逼近正確數(shù)值。（a）以100mm勺短邊為高的垂直平板傳熱系數(shù)h=2.51 X0.56 義(40/0.1 ) 0.25=6.29W/m2K表面積 S=0.1 X0.2 X2=0.04m2散熱量 W=0.04X6.29 X40=10.1W(b)以200mm勺長邊為高的垂直平板傳熱系數(shù)h=

12、2.51 義 0.56 義 4 40/0.2 ) 0.25=5.29W/m2K表面積 S=0.1 X0.2 X2=0.04m2散熱量 W=0.04X 5.29 X40=8.5W由上述計算可知，(b)的散熱量比(a)低15%左右。但計算的條件是平板的溫度完全均勻，也就是導(dǎo)熱系數(shù)無限大，如果是印刷電路板，散熱量上的差別還會更大。倘若導(dǎo)熱能力差，平板上側(cè)與下側(cè)之間將會出現(xiàn)溫差。縱向放置的話，上側(cè)與下側(cè)的溫差會更大，最高溫度將出現(xiàn)相當大的差別。水平放置時，平板上側(cè)與下側(cè)的傳熱系數(shù)不同，計算比較復(fù)雜。上側(cè)的 C值為0.52,下側(cè)為 0.26，剛好是上側(cè)的一半。因此，下側(cè)的散熱量也是上側(cè)的一半。這種情況需

13、要分別計算上側(cè)和下側(cè)的散熱量，然后相加。(c)水平放置平板代表長度 L= (0.1X0.2X2) / (0.1 +0.2) =0.133m上表面對流傳熱系數(shù)h=2.51 X0.52 X (40/0.133 ) 0.25=5.43 W/m2K上表面表面積S=0.1 X 0.2=0.02m2上表面散熱量 W=0.02X 5.43 X 40=4.34W下表面對流傳熱系數(shù)h=2.51 X0.26 X (40/0.133 ) 0.25=2.72 W/m2K下表面表面積S=0.1 X 0.2=0.02m2下表面散熱量 W=0.02X2.72 X40=2.17W總散熱量W=4.34 2.17=6.51W這采

14、用的是熱計算中經(jīng)常使用的計算每個面的發(fā)熱量，然后相加的方法?！揪毩?xí)2】大空間發(fā)生熱對流，小空間發(fā)生熱傳導(dǎo)接下來看一下在200mm200mrK20mmt勺平整機殼中安裝180mm180mrK 1mm勺電路板 （發(fā)熱功率5VV的情況（圖7）。圖 7：【練習(xí)2】空間大為熱對流，空間小為熱傳導(dǎo)思考在尺寸為200m佛200mrK 20mm勺機殼內(nèi)安裝180m佛180m佛1mm勺印刷電路板（發(fā)熱功率為5W時，圖中3種情況下的散熱能力。假設(shè)沒有熱輻射。大家可以將其看成是加熱器。關(guān)于電路板的安裝位置，下面哪種是正確的？另外，這里假設(shè)熱輻射可以忽略。（a）電路板設(shè)置在上部（距離機殼頂面1mm時溫度最低（b）電路

15、板設(shè)置在中部（距離機殼頂面7.5mm時溫度最低（c）電路板設(shè)置在下部（距離機殼頂面15mm時溫度最低這個題目中有一點要注意，那就是空間狹窄、空氣無法流動時，發(fā)生的是熱傳導(dǎo)，空間夠大時發(fā)生的是熱對流。劃分的界限值隨狀態(tài)和發(fā)熱量而變，大致為幾毫米。如果小于該界限值，空氣將無法流動，大于該界限值空氣就可以流動。定性地來說，只要距離足夠，空氣就能循環(huán)，從而帶走熱能，使部件釋放的熱傳到機殼頂面并發(fā)散出去，由此起到降溫的作用。上面提到，當距離很小時發(fā)生的是熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的熱阻等于空氣層的厚度/（傳熱面積x空氣的導(dǎo)熱系數(shù)），因此（a）的情況下，熱阻（1mm =0.001/ （0.18 X0.18 X0.03

16、） =1.03K/W;（b）的情況下，熱阻（7.5 mm） =0.0075/ （0.18 X0.18 X0.03） =7.7K/W,比（a）的熱阻大很多。而在（c）的情況下，距離達到15mm可以認為能充分產(chǎn)生對流。此時，對流的熱阻增加到兩個（電路板表面-空氣，空氣-機殼頂面）。按照傳熱系數(shù)為10W/m2K算，電路板到空氣的對流熱阻=1/ （電路板表面積x自然對流傳熱系數(shù)（水平）空氣到機殼的對流熱阻=1/ （機殼表面積X自然對流傳熱系數(shù)（水平）熱阻（15mm）=1/ （0.18X0.18X10） +1/ （0.2X0.2X10）=5.6K/W由此可知，（a）的情況下熱阻最小、溫度最低。估計（b）的溫度最高，原因是基本沒有發(fā)生流動。傳熱系數(shù)單靠