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，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;強化傳熱;數(shù)值模擬

　　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)備在安全溫度下運行非常關(guān)鍵。近年來，利用脈動流技術(shù)強化通道內(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)生形式和脈動強化換熱機理。

　　文獻[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化傳熱的結(jié)果。文獻[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]通過實驗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行研究，得出在脈動流下納米顆粒換熱增強的結(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)實際應(yīng)用。

　　1 散熱器模型及計算方法

　　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：給定進口溫度和脈動風(fēng)速，風(fēng)速計算式為uin =u0+Asin(2πft)，式中uin為矩形通道進口速度，u0為穩(wěn)流時的進口速度，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為進出口壓力差;溫差ΔT取代數(shù)平均溫差。

　　無量綱瞬時強化換熱因子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?？梢钥闯觯?dāng)網(wǎng)格數(shù)在大約6.1×105時，得到網(wǎng)格獨立性解。

　　為了驗證模型的正確性，按本文的模擬方法對文獻[8]中的分段式平直翅片的實驗結(jié)果進行比較。模擬的模型尺寸和邊界條件與文獻[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。模擬的實驗得到的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h，如圖5所示?？梢钥闯?，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?？梢钥闯觯骄鶞囟冉瞥收液瘮?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。平均強化換熱因子Ehav大于1，表明與均勻流相比，脈動速度能增強對流傳熱，且脈動振幅越大，強化換熱效果越好，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?？梢钥闯觯S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?？梢钥闯觯S著脈動頻率的增加，瞬時強化換熱因子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。

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