黃坤榮， 莫宗冬， 王虎

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽421001）

0 引言

振蕩熱管一般是由金屬（不銹鋼、銅、鋁等）毛細(xì)管彎曲成蛇形彎管，抽成真空后，在低壓條件下注入無機(jī)介質(zhì)制成的導(dǎo)熱元件。與普通熱管不同，振蕩熱管內(nèi)部不是單純的相變傳熱，而是集相變傳熱、顯熱傳熱、膨脹功于一體，涉及多物理學(xué)科、多參數(shù)的汽液兩相流系統(tǒng)［1］。振蕩熱管是一種新興的高效導(dǎo)熱元件，具有當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)較大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低及制造容易等特點(diǎn)［2］，導(dǎo)熱性能是現(xiàn)有材料的數(shù)十倍，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。振蕩熱管翅片式散熱器是通過增加散熱器殼側(cè)的換熱面積的方式來降低散熱器熱阻。對(duì)散熱器增加翅片能夠增加散熱器的換熱功率同時(shí)也能使其結(jié)構(gòu)更加緊湊。在管殼式換熱器的改良過程中，翅片式換熱器是改良時(shí)間最早并且得到較為成功的應(yīng)用［3］。將散熱器表面翅化不僅能夠降低傳熱熱阻并且能夠使壁側(cè)的壁面溫度更接近外界的流體溫度，這能夠有效防止散熱器低溫被酸漏點(diǎn)腐蝕［4］。

本文運(yùn)用ANSYS軟件，對(duì)振蕩熱管翅片式散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化，并且分析振蕩熱管翅片式散熱器的傳熱機(jī)理和工作特性。

1 物理模型

振蕩熱管翅片散熱器主要由振蕩熱管、翅片、導(dǎo)熱板三部分組成。本文模型由33根155 mm×45 mm的翅片、3根振蕩熱管、導(dǎo)熱板、90 W的功率元件組成，如圖1所示。導(dǎo)熱板連接工件與振蕩熱管的蒸發(fā)段進(jìn)行熱吸收，翅片焊接在接振蕩熱管的冷凝段進(jìn)行熱排放。工件工作過程中產(chǎn)生的熱量，通過導(dǎo)熱板傳遞到振蕩熱管冷凝段，液體工質(zhì)吸收熱量后溫度升高，工質(zhì)氣化產(chǎn)生氣泡，熱管內(nèi)壓力增大，氣泡膨脹，推動(dòng)工質(zhì)進(jìn)入冷凝段，工質(zhì)進(jìn)入冷凝段后，將熱量傳遞到翅片上，熱量經(jīng)過翅片自熱對(duì)流散發(fā)到外界。

圖1 振蕩熱管物理模型

2 求解方法

對(duì)模型進(jìn)行熱學(xué)分析前，對(duì)條件進(jìn)行以下假設(shè)：計(jì)算區(qū)域是自熱對(duì)流區(qū)域；振蕩熱管的液體柱與氣體柱的截面積是實(shí)常數(shù)；工作環(huán)境所處的溫度為25℃；振蕩熱管內(nèi)部的液體柱與氣體柱是不可壓縮的穩(wěn)態(tài)層流；振蕩熱管冷凝段的翅片是輔助振蕩熱管散熱的作用，其材質(zhì)為鋁。

定義計(jì)算區(qū)域?yàn)樽詿釋?duì)流區(qū)域，使用Boussinesq假設(shè)模擬自熱對(duì)流流場(chǎng)。為了使省缺的邊界條件不影響計(jì)算結(jié)果，設(shè)定足夠大的計(jì)算區(qū)域。該三維模型的最大尺寸為L(zhǎng)，Y軸負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较颍?jì)算區(qū)域外邊界距模型外邊界有如下規(guī)定：Y+大于2L，Y-大于L，其他4個(gè)方向大于0.5L。計(jì)算邊界6個(gè)面設(shè)置成打開opening，使環(huán)境溫度等于邊界溫度。將計(jì)算區(qū)域的流體設(shè)置為層流流動(dòng)為初始環(huán)境。

在運(yùn)行的過程中，工件產(chǎn)生熱量傳遞到導(dǎo)熱板與散熱器中，然后通過對(duì)流將熱量散到空氣中。其他部分通過熱輻射和對(duì)流散發(fā)出去。將黏結(jié)材料表面、連接板的部分表面定義為絕熱面，其他的表面設(shè)定為自熱對(duì)流系數(shù)為10 W/（m2·℃）的自熱對(duì)流表面。對(duì)導(dǎo)熱板加載90 W的傳熱功率。

在材料的屬性定義中，模型的求解過程中有一個(gè)重要的參數(shù)是振蕩熱管的導(dǎo)熱系數(shù)，將振蕩熱管的傳熱能量量化為傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行傳熱。這個(gè)方法是近似地將振蕩熱管當(dāng)成一個(gè)軸向?qū)崧屎艽蟮牟牧?。等效軸向熱傳導(dǎo)系數(shù)Keff由下式計(jì)算得出：

式中：Lp為振蕩熱管長(zhǎng)度；A為振蕩熱管截面積；Rth為振蕩熱管熱阻。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 管孔位置對(duì)工件溫度的影響

將振蕩熱管管孔從翅片中間分別上下移動(dòng)10 mm，觀察翅片的溫度分布狀況，其中中間某片翅片的溫度情況如圖2。

圖2 不同管孔位置的溫度云圖

表1 不同管孔位置的工件溫度

由表可知，當(dāng)管孔位于翅片中間工件的溫度要比管孔上下移動(dòng)10 mm時(shí)工件的溫度低，對(duì)流換熱系數(shù)比兩種情況要大，由此可知，管孔位于振蕩熱管中間更加利于工件散熱。

3.2 翅片尺寸對(duì)工件溫度的影響

將翅片尺寸從155mm×45mm增大為155mm×65mm，確保前后換熱面積不變的情況下，155 mm×65 mm型散熱器的換熱系數(shù)減小。兩種散熱器翅片溫度分布如圖3、圖4所示。

圖3 尺寸為155 mm×45 mm的翅片溫度分布

圖4 尺寸為155 mm×65 mm的翅片溫度分布

表2 不同翅片尺寸的換熱系數(shù)

從表2可知,保證總體散熱面積不變，改變翅片尺寸由155 mm×45 mm改為155 mm×65 mm后，翅片的溫度分布發(fā)生了改變，翅片最高溫度從60.04℃降低到了56.05℃，翅片平均溫度從57.32℃降到了53.91℃，翅片溫度整體降低。總體散熱系數(shù)變小，從6.23 W/（m2·℃）降到5.85 W/（m2·℃）。

表3 不同翅片間距下工件的溫度

3.3 翅片間距對(duì)工件溫度的影響

研究翅片間距對(duì)工件溫度的影響，選取長(zhǎng)度為155 mm，高度為45 mm，翅片數(shù)為33片，在保持工況與幾何條件不變的情況下，改變翅片間距。表3為不同間距下工件的溫度。

從表3可知，當(dāng)間距增大時(shí)工件溫度減小，當(dāng)翅片間距大于6 mm以后，增加間距溫度降低幅度變小。因此可以考慮翅片間距為6 mm，這樣既能夠保持良好的散熱性能，又能夠使散熱器有很好的緊湊性。

4 結(jié)論

通過對(duì)振蕩熱管翅片散熱進(jìn)行仿真分析，分析翅片尺寸、翅片間距、管孔位置對(duì)散熱器的影響，得出管孔位于翅片中間更利于工件散熱；翅片在不改變總體散熱面積的情況下，改變翅片尺寸會(huì)使工件溫度升高，對(duì)流換熱系數(shù)變低；翅片間距為6 mm時(shí)，既能夠保持良好的散熱性能，又能夠使散熱器具有很好的緊湊性。

［1］ 莊駿,張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000：31-67.

［2］ AKACH H.Structure of a heat pipe：4921041［P］.1990-05-01.

［3］ 余建祖.換熱器原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：114-121.

［4］ WEDEKIND G L，STOECKER W F.Transient response of the mixture-vapor transition point in horizontal evaprating flow［J］.A SHRAE Transaction，1966，72（2）：1-15.