源匯耦合的電子設(shè)備內(nèi)自然對流換熱的實驗研究

戰(zhàn)乃巖 丁鷺 柴宇惟 徐玥

摘要：針對電子設(shè)備散熱問題，通過無接觸激光全息干涉技術(shù)和煙流微風(fēng)示蹤技術(shù)對多熱源耦合的電子設(shè)備散熱問題進行研究，分析Rayleigh數(shù)、熱源數(shù)量、熱源間距、壁面溫差等因素對腔體內(nèi)流動換熱的影響，實驗研究發(fā)現(xiàn)：隨著Rayleigh數(shù)的增加，流動換熱增強;熱源數(shù)量的增加對流動換熱不利;當腔內(nèi)有兩個熱源時，熱源間距50 mm時換熱效果最好;隨著腔內(nèi)高低溫壁面溫差的增加，對流動和換熱越來越有利，但換熱速率不斷減小，溫差為10℃最有利，為電子設(shè)備散熱設(shè)計提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：對流換熱;電子設(shè)備;散熱設(shè)計;源匯耦合;熱源間距;熱源數(shù)量

中圖分類號：TN98-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019）24-0050-05

自然對流是最經(jīng)典便捷的散熱方式，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安全可靠、無噪聲和振動[1]。在這種情況下，依靠自然對流散熱勢必成為主要選擇。

對封閉腔體自然對流的研究已有很多，馬崇揚等對封閉方腔內(nèi)放置方形熱源自然對流換熱進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明Rayleigh數(shù)和長寬比對方腔溫度場分布和流場渦卷有顯著影響[2];徐梓斌等對熱源在水平腔內(nèi)引起的自然對流問題進行了模擬計算，分析了熱源尺寸與不同邊界條件對流動換熱的影響[3];蔣宏利等研究了側(cè)壁上同時有3個熱源及各熱源加熱功率不同對流體流動和換熱的影響[4];匡東升等通過數(shù)值模擬探討了二維封閉方腔內(nèi)自然對流換熱中傾斜角度和Rayleigh數(shù)對流動換熱的影響[5];文獻[6-8]等所研究的模型都是內(nèi)熱源位于腔體中心，而在實際設(shè)備中，內(nèi)熱源基本上都位于腔體的底部;戰(zhàn)乃巖等綜合考慮多種因素對小空間熱源群換熱的影響[9]。綜上所述，前人多通過模擬手段進行分析，而通過實驗進行印證其觀點的卻很少。本文主要通過無接觸激光全息干涉技術(shù)和微流煙風(fēng)示蹤可視化手段研究影響封閉熱源長方體腔換熱效果的因素，對模擬結(jié)果進行印證。

1 物理模型

物理模型和實驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。封閉長方體腔長寬高分別為L，W，H;腔內(nèi)離散熱源長寬高分別為L，W，H，熱源尺寸相同，腔體和熱源尺寸均可變;腔內(nèi)高溫?zé)嵩礈囟葹門h，低溫壁面溫度為Tc，且Th>Tc，封閉腔是由雙層玻璃組成，雙層玻璃中間是6 mm厚的空氣層，以此達到絕熱的效果，實驗中只考慮溫差引起的密度變化，初始速度U= V=W=0。

2 實驗系統(tǒng)

實時激光全息干涉實驗對實驗臺具有較高的水平度和抗震性能的要求，為確保激光光源的水平度和干涉條紋的穩(wěn)定性使之得到準確的實驗結(jié)果，實驗采用ZVB30-15自充氣自平衡精密隔振光學(xué)平臺作為實驗平臺。光路系統(tǒng)由MW-SL-532綠光連續(xù)激光器作為激光光源，半透半反鏡、反射鏡、擴束鏡、準直透鏡、調(diào)整架等組成。實驗選用DC系列低溫恒溫水槽，滿足對控溫范圍、控溫精度、控溫方式等技術(shù)參數(shù)要求。為確保全息成相的清晰和實驗結(jié)果的準確，全息干板進行預(yù)硬化、顯影、定影、漂白等處理。實驗光路如圖2所示。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 溫度場和流場分布

實驗對無內(nèi)熱源封閉腔體在不同Rayleigh數(shù)的工況進行研究。不同Rayleigh數(shù)下的平均Nusselt數(shù)如圖3和圖4所示，溫度場和流場如圖5所示。

由圖3和圖4可看出，隨著Rayleigh數(shù)的增加，平均Nusselt數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢，這意味著換熱效果逐漸加強。隨著Rayleigh數(shù)的增大，空氣流動情況基本分為以下幾種情況：穩(wěn)定、局部失穩(wěn)、單倍周期、擬周期（多倍周期區(qū)域）、多解共存、跳躍、瞬間混沌。當Ra=84 555時，Nu數(shù)急劇減小，并由圖4可看出其無規(guī)則變化。由圖5a）可看出，靠近底面的空氣溫度高于靠近頂面的空氣溫度，隨著Ra數(shù)的增大，自然對流越來越明顯，換熱逐漸加強，即圖4中干涉條紋變細，數(shù)量增多;根據(jù)激光全息干涉條紋溫度計算公式：T= aBT0P0/（ aBP0+ mλrT0），已知上壁面溫度為-1.5℃，即271.5 K，以Ra=60 000為例求出每條干涉條紋所對應(yīng)的溫度值，結(jié)果如圖5c）所示。由圖5b）可看出，初始渦卷界限清晰，流動清晰，隨著換熱加強，相鄰渦卷發(fā)生融合現(xiàn)象，界限模糊。

3.2 熱源數(shù)量對換熱的影響

為探究熱源數(shù)量對封閉腔內(nèi)自然對流換熱的影響，對腔體尺寸/=40 mm，W=10 mm，H=10 mm，熱源尺寸L =4 mm，W=1 mm，H'=1 mm，Ra=10 000，無內(nèi)熱源、一個熱源、兩個熱源的工況進行研究，分析腔內(nèi)空氣流動換熱規(guī)律，Nusselt數(shù)見圖6，溫度場和流場見圖7、圖8。

由圖6可見，三種工況下?lián)Q熱效果依次為無內(nèi)熱源、一個熱源、兩個熱源。由圖7可見，溫度分布圍繞熱源呈環(huán)狀，隨著熱源數(shù)量增加，溫度梯度減小，且兩個熱源間存在相互影響。由圖8可見，當腔體內(nèi)無內(nèi)熱源時，隨時間變化形成的渦卷界限清晰，流動穩(wěn)定;當腔內(nèi)有一個熱源時，形成兩個渦卷，與無內(nèi)熱源工況相比渦卷界限相對模糊，并開始變形流動;當腔內(nèi)有兩個熱源時，渦卷數(shù)量增至四個，中間渦卷較細，兩側(cè)渦卷較寬，側(cè)壁面附近流動變得微弱，換熱效果減弱。3.3熱源間距對換熱的影響

為探究熱源間間距對封閉腔內(nèi)換熱效果的影響，對腔體尺寸/=140 mm，W=70 mm，H=70 mm，熱源尺寸L'=2 mm，W=1 mm，H=1 mm，熱源與上下壁面溫差20℃，熱源間距分別為10 mm，50 mm，70 mm，100 mm工況進行研究，分析腔體內(nèi)空氣流動換熱規(guī)律，如圖9和圖10所示。

由圖9可見，隨著熱源間距增大，Nusselt數(shù)呈先增大后減小的趨勢，熱源間距d=50 mm為換熱效果最佳工況。

由圖10可知，當熱源間距較小時，空氣外部流動與單熱源腔體的流動狀態(tài)大致相同;隨著熱源間距的增加，與熱源間距為10 mm相比，在兩熱源間又形成兩個渦卷，但由于兩熱源的相互影響，使熱源間渦卷界限模糊，換熱加強，直到間距為50 mm時換熱效果最好;隨著熱源間距從50 mm增加至100 mm的過程中，兩熱源間的相互影響逐漸減弱，兩熱源間的渦卷界限又逐漸清晰，腔內(nèi)空氣流動逐漸減弱，換熱減弱。

3.4 壁面溫差對換熱的影響

為探究壁面溫差對封閉腔內(nèi)換熱效果的影響，對腔體尺寸L=140 mm，W=70 mm，H=70 mm，熱源尺寸L'=2 mm，W'=1 mm，H'=1 mm，兩個熱源時，熱源與上下壁面溫差為5℃，10℃，15℃，20℃工況時進行研究，分析腔體內(nèi)空氣流動換熱規(guī)律，如圖11和圖12所示。

由圖11可見，隨著熱源與上下壁面溫差的增加，Nusselt數(shù)呈不斷增長的趨勢，換熱加強;隨著溫差增加，Nusselt數(shù)的曲線逐漸趨于平緩，即斜率逐漸減小，表明換熱速率較小，在溫差為10℃換熱速率最大。由圖12可見，在上下壁面溫差為5℃和10℃時，渦卷內(nèi)部流動清晰且穩(wěn)定;當溫差為15℃時，渦卷開始流動并逐漸混亂，且存在消融現(xiàn)象，說明腔內(nèi)空氣流動加強，換熱效果加強;當溫差為20℃時，渦卷較溫差為15℃時更混亂，出現(xiàn)振蕩和混沌現(xiàn)象。

4 結(jié)語

針對電子設(shè)備散熱問題，通過無接觸激光全息干涉技術(shù)對多熱源耦合的電子設(shè)備散熱問題進行研究，得到如下結(jié)論：隨著熱源數(shù)量增加，對流動和換熱越來越不利;當腔內(nèi)有兩個熱源時，隨著熱源間距增加，腔內(nèi)換熱效果先增強后減弱，兩熱源間的相互影響逐漸減弱，最佳熱源間距d=50 mm;隨著腔內(nèi)高低溫壁面溫差的增加，對流動和換熱越來越有利。但隨著溫差逐步增大，換熱速率不斷減小，在溫差為10℃換熱速率最大。

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作者簡介：戰(zhàn)乃巖（1975-），女，吉林長春人，博士，教授，主要從事傳熱傳質(zhì)工作。