自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流及計(jì)算實(shí)例

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1、自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流及計(jì)算實(shí)例熱設(shè)計(jì)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(jì)的基礎(chǔ)——傳熱著手，介紹基本的熱設(shè)計(jì)方法。前面介紹的熱傳導(dǎo)具有消除個(gè)體內(nèi)溫差的效果。上篇紹的熱對(duì)流，則具有降低平均溫度的效果。下面就通過具體的計(jì)算來分別說明自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流的情況。首先，自然對(duì)流的傳熱系數(shù)可以表述為公式（2）。熱流量=自然對(duì)流傳熱系數(shù)×物體表面積×（表面溫度-流體溫度）…（2）很多文獻(xiàn)中都記載了計(jì)算傳熱系數(shù)的公式，可以把流體的特性值帶入公式中進(jìn)行計(jì)算，可以適用于所有流體。但每次計(jì)算的時(shí)候，都必須代入五個(gè)特性值。因此，公式（3）事先代

2、入了空氣的特性值，簡化了公式。自然對(duì)流傳熱系數(shù)h=2.51C（⊿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C、L、⊿T三個(gè)參數(shù)。C和L從表1中選擇。例如，發(fā)熱板豎立和橫躺時(shí)，周圍空氣的流動(dòng)各不相同。對(duì)流傳熱系數(shù)也會(huì)隨之改變，系數(shù)C就負(fù)責(zé)吸收這一差異。代表長度L與C是成對(duì)定義的。計(jì)算代表長度的公式因物體形狀而異，因此，在計(jì)算的時(shí)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(duì)流傳熱系數(shù)越大。⊿T

3、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(huì)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。因此，風(fēng)速加快后，傳熱系數(shù)也會(huì)變大。公式（3）叫做“半理論半實(shí)驗(yàn)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(duì)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?yàn)樵谶@種情況下，理論上的溫度邊界線的厚度可以計(jì)算出來。但是，如果發(fā)熱板水平放置，氣流就會(huì)變得復(fù)雜，計(jì)算的難度也會(huì)增加。這種情況下，就要根據(jù)原始的理論公式，通過實(shí)驗(yàn)求出系數(shù)

4、。也就是說，在公式（3）中，理論計(jì)算得出的數(shù)值0.25可以直接套用，C的值則要通過實(shí)驗(yàn)求出。自然對(duì)流傳熱系數(shù)無法大幅改變?圖4：自然對(duì)流傳熱系數(shù)無法大幅改變物體沿流動(dòng)方向的尺寸越小，單位面積的散熱量越大。自然對(duì)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(qiáng)制空冷可以通過提高風(fēng)速和湍流化，大幅改變傳熱系數(shù)。形狀和配置對(duì)于自然對(duì)流的傳熱系數(shù)會(huì)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2.51×0.56×（（Ts-Ta）/H）0.25，而圓筒面的傳熱系數(shù)h等于2.51×0.55×（（Ts-T

5、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(dāng)發(fā)熱板傾斜時(shí)，下表面的傳熱能力會(huì)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(shí)的傳熱系數(shù)為hv，傾斜時(shí)的傳熱系數(shù)為hθ，物體沿垂直方向傾斜角度θ，此時(shí)，下表面的傳熱系數(shù)大致為：hθ=hv·（cosθ）0.25…（4）（θ在0～60度左右的范圍內(nèi)時(shí)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

6、一旦接近水平，傳熱系數(shù)就會(huì)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(duì)流傳熱系數(shù)其實(shí)難度頗大。但物體越小，對(duì)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(gè)部分的方法。在翅片截?cái)嗟牡胤?，熱邊界層將重置，起到阻止邊界層變厚的作用，借此可以提高?duì)流傳熱系數(shù)。但這樣做會(huì)減少翅片的表面積，總的散熱能力依然變化不大。強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)的簡易計(jì)算公式接下來看看強(qiáng)制對(duì)流的傳熱系數(shù)。安裝風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流的公式如下。熱流量=強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)×物體表面積×（表面溫度-流體溫度）…（5）強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算也有很多種公式（圖5）。圖

7、5：強(qiáng)制對(duì)流熱傳導(dǎo)的簡易計(jì)算公式強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，計(jì)算熱流量使用與強(qiáng)制對(duì)流對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)。根據(jù)流體的流動(dòng)是在層流區(qū)域還是在湍流區(qū)域，計(jì)算使用的傳熱系數(shù)均不同。強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，一旦提高風(fēng)速，狀態(tài)也會(huì)在途中隨之改變。比方說，即便是在沒有風(fēng)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，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(dòng)。而在湍流區(qū)，顆粒物會(huì)到處亂飛，隨著時(shí)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(huì)隨時(shí)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?/p>

8、湍流更有利于散熱。因?yàn)樵谕牧髦校瑹峥諝馀c冷空氣將相互混合，冷空氣會(huì)得到靠近壁面的機(jī)會(huì)，更加容易傳熱。也就是說，湍流化能夠降低溫度。尤其是對(duì)于低流速和水冷式，湍流化十分有效。但湍流化也會(huì)導(dǎo)致流體阻力增大，這回增加風(fēng)扇和水泵的負(fù)荷。強(qiáng)制形成湍流化的起始點(diǎn)時(shí)，可以采用