自然對流與強制對流計算實例

1、自然對流與逼迫對流及計算實例熱設(shè)計是電子設(shè)備開發(fā)中必不可以少的環(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)擁有除掉個體內(nèi)溫差的收效。上篇紹的熱對流，則具有降低平均溫度的收效。下面就通詳盡的算來分明自然流與制流的情況。第一，自然流的系數(shù)可以表述公式（2）。流量=自然流系數(shù)物體表面（表面溫度-流體溫度）（2）很多文件中都了算系數(shù)的公式，可以把流體的特點入公式中行算，可以適用于所有流體。但每次算的候，都必代入五個特點。所以，公式（3）早先代入了空氣的特點，化了公式。自然流系數(shù)h=2.51C（T/L）（W/m2K）（3）是代入空氣的特點后求得的系數(shù)。若是是向水中散，需要成

2、水的特點。公式（3）出了C、L、T三個參數(shù)。C和L從表1中。比方，板立和橫躺，周空氣的流各不相同。流系數(shù)也會隨之改，系數(shù)C就吸取一差別。代表度L與C是成定的。算代表度的公式因物體形狀而異，所以，在算的候，需要從表1中相似的形狀。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。T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溫越大。所以，風(fēng)速加速后，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)公式可以經(jīng)過求解微分方程的方式求出，但自然對流與氣流相關(guān)，沒有完好適用的理論公

3、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，理論上的溫度界線線的厚度可以計算出來。但是，若是發(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，就要依照原始的理論公式，經(jīng)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)值可以直接套用，C的值則要經(jīng)過實驗求出。自然對流傳熱系數(shù)無法大幅改變?4：自然流系數(shù)無法大幅改物體沿流方向的尺寸越小，位面的散量越大。自然流的系數(shù)隨斜率和面的曲率化，但化的幅度不大。而制空冷可以通提高速和湍流化，大幅改系數(shù)。形狀和配置于自然流的系數(shù)會生多大的影響（4）？例來，平面的系數(shù)h等于（Ts-Ta）/H），而筒面的

4、系數(shù)h等于（Ts-Ta）/H）。平面，筒面，差只有2左右，由此可，平面與筒面的系數(shù)差不大。就意味著當(dāng)板斜，下表面的能力會越來越差，而上表面的能力基本不。生斜后，下表面只碰到沿斜面的向量成分的浮力。也就是，下表面的浮力弱。假垂直的系數(shù)hv，斜的系數(shù)h，物體沿垂直方向斜角度，此，下表面的系數(shù)大體：h=hv（cos）（4）（在060度左右的范內(nèi)公式建立）若是斜45度，系數(shù)將小8左右。由此可知，即便斜板，系數(shù)也沒有太大化。但一旦湊近水平，系數(shù)就會急降低。通上面的介，大家已理解，提高自然流系數(shù)其度大。但物體越小，流系數(shù)越大。比方，我可以采用把翅片切割成幾個部分的方法。在翅片截斷的地方，界將重置，起到阻攔

5、界厚的作用，借此可以提高流系數(shù)。但做會減少翅片的表面，的散能力仍舊化不大。制流系數(shù)的易算公式接下來看看制流的系數(shù)。安裝的制流的公式以下。流量=制流系數(shù)物體表面（表面溫度-流體溫度）（5）制流系數(shù)的算也有很多種公式（5）。5：制流的易算公式制流，算流量使用與制流的系數(shù)。依照流體的流是在流地域是在湍流地域，算使用的系數(shù)均不相同。制流，一旦提高速，狀也會在途中隨之改。比方，即即是在沒有的房里，香煙的煙也是一開始徑直向上，在途中四散。徑直向上的地方是流，散的地方是湍流。在流區(qū)，香煙煙中粒物是向流。而在湍流區(qū)，粒物會到亂，隨著的推移，煙的形狀將生改。湍流是非定常流，流向會隨改。印刷路板周的空氣也一，最初

6、流，中途湍流。從散的角度來看，湍流更有利于散。因在湍流中，空氣與冷空氣將相互混雜，冷空氣會獲取湊近壁面的機(jī)遇，更加簡單。也就是，湍流化能降低溫度。特別是于低流速和水冷式，湍流化十分有效。但湍流化也會致流體阻力增大，回增加扇和水的荷。制形成湍流化的初步點，可以采用在流體的通道中置興起物（湍流促器）的方式。在制空冷的散器中，可以看到種置興起的例子（注4）。（注4）自然流也存在湍流，但在子品的中，可以基本不存在自然湍流化。但溫度達(dá)到500600的高溫后，因浮力增，所以也會出湍流化。截止流的力與促流的力，二者的平衡決定著湍流的初步點。截止流的力是粘性力，在壁面周邊的作用，而促流的力是性力或浮力。粘性力

7、，流碰到截止。因氣流之會相互束。比方，在和湊近壁面的地方，粘性力。同，翅片與翅片之的距離越窄，粘性力越，也就很生湍流化。而性力由速度生，只要提高速度，性力就會隨之增大。仍以香煙的煙例，在煙開始流，源上部的空氣慢上升，生流的地域也十分狹窄。但隨著流的行，周的靜止流體也被，流的地域不斷大。所以，粘性力會降低。而在浮力的加速作用下，空氣的流速不斷加速。所以生了湍流化。依照流和湍流的不相同，制流的系數(shù)公式存在相當(dāng)大的差。第一是流的公式。流平均系數(shù)hm=（V/L）（6）其中加入了空氣的特點，與自然流公式（3）中的含相同。湍流相關(guān)公式是性公式，系數(shù)和指數(shù)都有化。湍流平均系數(shù)hm=6（V/）（7）要想行判斷

8、的，不如把兩個系數(shù)都算出來，系數(shù)大的一方。下面，我使用上面介的知，定量研究流的散能力?！?】平板的放置方式與散能力假有一200mm、100mm（忽略厚度），溫度保持在40的平板（6），平板的溫度平均，而且沒有射，以下放置方式的散能力有多大差？圖6：【練習(xí)1】平板的放置方式與散熱能力思慮縱長200mm橫寬100mm（忽略厚度）的平板的升溫保持在40K（）時，圖中3種模式的散熱能力。假設(shè)平板的溫度平均，且沒有熱輻射。a）垂直放置（以100mm的短邊為高）b）垂直放置（以200mm的長邊為高）c）水平放置需要求的數(shù)值是熱流量，相當(dāng)于散熱量，這就必定第一求出傳熱系數(shù)，需要使用公式（3）。a）和（b）是

9、垂直放置，C值使用平板垂直放置時的數(shù)值。因為升溫固定在40K（），所以T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）溫度必定要多次計算，比較麻煩。若是不知道溫度，就求不出傳熱系數(shù)，所以，最初先假設(shè)溫度為30，計算出h。把結(jié)果代入公式進(jìn)行計算，獲取的溫度一般不等于30，此時要使用得出的數(shù)值重新計算。經(jīng)過屢次計算，逐漸逼近正確數(shù)值。a）以100mm的短邊為高的垂直平板傳熱系數(shù)h=（40/）=m2K表面積S=2=散熱量W=40=（b）以200mm的長邊為高的垂直平板傳熱系數(shù)h=（40/）=m2K表面積S=2=散熱量W=40=由上述計算可知，（b）的散熱量比（a）低15左右。但

10、計算的條件是平板的溫度完好平均，也就是導(dǎo)熱系數(shù)無量大，若是是印刷電路板，散熱量上的差別還會更大。若是導(dǎo)熱能力差，平板上側(cè)與下側(cè)之間將會出現(xiàn)溫差?？v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(dāng)大的差別。水平放置時，平板上側(cè)與下側(cè)的傳熱系數(shù)不相同，計算比較復(fù)雜。上側(cè)的C值為，下側(cè)為，恰巧是上側(cè)的一半。所以，下側(cè)的散熱量也是上側(cè)的一半。這種情況需要分別計算上側(cè)和下側(cè)的散熱量，爾后相加。（c）水平放置平板代表長度L=（2）/（）=上表面對流傳熱系數(shù)h=（40/）=W/m2K上表面表面積S=上表面散熱量W=40=下表面對流傳熱系數(shù)h=（40/）=W/m2K下表面表面積S=下表面散熱量W=40=

11、總散熱量W=這采用的是熱計算中經(jīng)常使用的計算每個面的發(fā)熱量，爾后相加的方法?！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200mm200mm20mm的平展機(jī)殼中安裝180mm180mm1mm的電路板（發(fā)熱功率5W）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)思慮在尺寸為200mm200mm20mm的機(jī)殼內(nèi)安裝180mm180mm1mm的印刷電路板（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。大家可以將其看作是加熱器。關(guān)于電路板的安裝地址，下面哪一種是正確的？別的，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(jī)殼頂面1mm）時溫度最低b）電

12、路板設(shè)置在中部（距離機(jī)殼頂面）時溫度最低c）電路板設(shè)置在下部（距離機(jī)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。劃分的界線值隨狀態(tài)和發(fā)熱量而變，大體為幾毫米。若是小于該界線值，空氣將無法流動，大于該界線值空氣就可以流動。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(jī)殼頂面并發(fā)散出去，由此起到降溫的作用。上面提到，當(dāng)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/（傳熱面積空氣的導(dǎo)熱系數(shù)），所以（a）的情況下，熱阻（1mm）=（）=W；b）的情況下，熱阻（）=（）=W，比（a）的熱阻大很多。而在（c）的情況下，距離達(dá)到15mm，可以認(rèn)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(jī)殼頂面）。依照傳熱系數(shù)為10W/m2K計算，電路板到空氣的對流熱阻=1/（電路板表面積自然對流傳熱系數(shù)（水平）空氣到機(jī)殼的對流熱阻=1/（機(jī)殼表面積自然對流傳熱系數(shù)（水平）熱阻（15mm）=1/（10）1/（10）=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)單靠手工計算很難獲取正確結(jié)果，所以，筆者試著利用熱流體剖析