管翅式散熱器不同進出口高度對換熱性能的影響

陳金友 漆波

摘 ?要：該文通過建立倒T型管翅式散熱器5種不同進口高度及6種不同出口高度的物理數(shù)學(xué)模型，進行數(shù)值計算及分析，研究散熱器進口及出口高度對換熱性能的影響。結(jié)果表明：隨進口高度增大，散熱器換熱性能有所弱化，但是影響程度很小，最大值與最小值相差4.33%;隨出口高度增大，散熱器換熱性明顯增強，且影響程度很大，最大值與最小值相差47.74%。為此在設(shè)計與生產(chǎn)散熱器的過程中，在滿足實用性、經(jīng)濟性等條件下，應(yīng)盡可能地減小進口高度，增大出口高度，以便得到最佳的換熱性能。

關(guān)鍵詞：管翅式散熱器 ?進口高度 ?出口高度 ?數(shù)值計算

中圖分類號：TK172 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）06（a）-0069-03

管翅式散熱器是我國采用最為普遍的一種自然對流換熱器，其工作原理為相對高溫的翅片管與相對低溫的周圍空氣進行對流熱交換，提高周圍空氣溫度，達到采暖的目的。項目前階段對散熱器傳熱性能試驗平臺進行搭建研究，得到了實驗的可行性實驗方案，同時對管翅式散熱器的布置形式對散熱器性能的影響進行數(shù)值仿真，目前研究的幾種布置形式中，倒T型布置型式散熱性能最優(yōu)，為此，該文主要研究進口高度及出口高度對倒T型布置型式的管翅式散熱器換熱性能的影響，以期找到合適的進出口尺寸參數(shù)，為管翅式散熱器的生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 ?模型建立及邊界條件設(shè)置

倒T型管翅式散熱器物理模型如圖1所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)類比市場常見L型布置方式的采暖散熱器的參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

倒T型管翅式散熱器換熱過程屬于典型的流固耦合換熱問題，因此在進行數(shù)值計算過程中應(yīng)該滿足能量守恒定律、動量守恒定律以及質(zhì)量守恒定律，它們的控制方程如下。

合理的邊界條件設(shè)置對數(shù)值計算起到至關(guān)重要的作用，該模型邊界條件設(shè)置如下：考慮空氣流速未可知，采用進口邊界條件，總溫度為291K，湍流動能k為1，湍流耗散率e為1;根據(jù)實驗條件，采用定壁溫;考慮出口回流及更容易收斂的因素，采用壓力出口邊界條件。

2 ?不同進口高度對管翅式散熱器換熱性能的影響

因為目前市場上管翅式散熱器進口高度相對較小，不適宜再進一步減小，因此在研究管翅式散熱器進口高度對散熱性能的影響的過程中，僅考慮增大散熱器進口高度，不考慮減小散熱器進口高度。圖2是5種不同進口高度模型的俯視圖，最左側(cè)模型為原散熱器模型，從右至左進口高度增加量依次減小，增加量分別為80mm、60mm、40mm、20mm、0mm的散熱器模型，相鄰兩個模型高度差值為20mm。

對5種不同進口高度散熱器進行數(shù)值計算，得到散熱結(jié)果匯總?cè)绫?所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，從變化趨勢的角度分析得到：散熱器隨進口高度的減小，散熱器總換熱量增大。從對散熱量影響大小的角度分析得到：5種不同進口高度的散熱器，散熱器散熱總量相差不大，最大值與最小值的增加量為4.33%，進口高度越小，散熱總量對進口高度變化越敏感。從對散熱器出口空氣流量的角度分析得到：散熱器進口高度對散熱器出口空氣流量影響不大，最大值與最小值的增加量為2.26%。

通過對仿真計算結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)：散熱器隨進口高度減小，散熱性能越好，但是散熱器進口高度對散熱器換熱性能的影響不大，該文所計算的5種不同進口高度，最大值與最小值僅相差4.33%，這對整個散熱器的散熱量影響較小;散熱器進口高度對散熱器出口空氣流量的影響更小，該文所計算的5種不同進口高度，最大值與最小值僅相差2.26%，這對整個散熱器的空氣流量影響更小，因此在管翅式散熱器設(shè)計與制造過程中，盡可能減小散熱器進口高度，這樣不僅可以在一定程度上提高散熱性能（盡管影響不大），還可以減少散熱器制造成本，同時也減小散熱器的安裝尺寸，這樣可以達到散熱器換熱性能、經(jīng)濟型、實用性的最佳狀態(tài)。

3 ?不同出口高度對管翅式散熱器換熱性能的影響

研究管翅式散熱器出口高度對散熱性能的影響的過程中，一方面考慮在原有出口高度上增大出口高度，另一方面還考慮在原有基礎(chǔ)上減小出口高度。圖3是6不同出口高度散熱器模型俯視圖，其中從左側(cè)起第三個散熱器出口高度為市場現(xiàn)有散熱器（原）出口高度，以原出口高度為參照高度，從左側(cè)起第一個模型出口高度增加-60mm（即減小60mm），第二個模型出口高度增加-30mm（即減小30mm），第三個模型出口高度增加0mm（即原出口高度），第四個模型出口高度增加+30mm，第五個模型出口高度增加+60mm，第六個模型出口高度增加+90mm，相鄰兩個模型高度差值為30mm。

對6種不同出口高度散熱器進行數(shù)值計算，得到散熱結(jié)果匯總?cè)绫?所示，根據(jù)表3數(shù)據(jù)，從變化趨勢的角度分析得到：散熱器隨出口高度的減小，散熱器總換熱量減小。從對散熱量影響大小的角度分析得到：6種不同出口高度的散熱器，散熱器散熱總量相差較大，最大值與最小值的增加量為47.74%。從對散熱器出口空氣流量的角度分析得到：散熱器出口高度對散熱器出口空氣流量影響巨大，最大值與最小值的增加量為74.35%。

通過對仿真計算結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)：散熱器隨出口高度增大，散熱性能越好，并且散熱器出口高度對散熱器換熱性能的影響巨大，該文所計算的6種不同出口高度，換熱量最大值出現(xiàn)在出口高度增大+90mm（高度最大）時，換熱量最小值出現(xiàn)在出口高度增大-60mm（高度最小）時，最大值與最小值相差47.74%，這對整個散熱器的散熱量影響較大;散熱器出口高度對散熱器出口空氣流量的影響巨大，該文所計算的6種不同出口高度，最大值與最小值相差74.35%，這對整個散熱器的空氣流量影響很大，因此增大散熱器出口高度是提高散熱器換熱性能的有效方法，管翅式散熱器設(shè)計與制造過程中，在滿足管翅式安裝使用尺寸要求的前提下，應(yīng)該盡可能增大散熱器出口高度，以便得到更好的換熱性能。

4 ?結(jié)論

該文主要對倒T型布置方式下的管翅式散熱器的5種不同進口高度及6種不同出口高度進行數(shù)值計算、分析，得到以下結(jié)論。

（1）倒T型管翅式散熱器隨進口高度增大，總換熱量減小，即換熱性能減弱。

（2）倒T型管翅式散熱器進口高度對散熱器換熱性能影響不大，該文中研究的5種不同進口高度，最大值與最小值相差4.33%。

（3）倒T型管翅式散熱器進口高度對散熱器出口空氣流量能影響不大，該文中研究的5種不同進口高度，最大值與最小值相差2.26%。

（4）倒T型管翅式散熱器隨出口高度增大，總換熱量增大，即換熱性能增強。

（5）倒T型管翅式散熱器出口高度對散熱器換熱性能影響較大，該文中研究的六種不同進口高度，最大值與最小值相差47.74%。

（6）倒T型管翅式散熱器出口高度對散熱器出口空氣流量影響巨大，該文中研究的6種不同進口高度，最大值與最小值相差74.35%。

參考文獻

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