戰(zhàn)乃巖 丁鷺 柴宇惟 徐玥

摘要：針對(duì)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(duì)多熱源耦合的電子設(shè)備散熱問題進(jìn)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(duì)腔體內(nèi)流動(dòng)換熱的影響，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：隨著Rayleigh數(shù)的增加，流動(dòng)換熱增強(qiáng);熱源數(shù)量的增加對(duì)流動(dòng)換熱不利;當(dāng)腔內(nèi)有兩個(gè)熱源時(shí)，熱源間距50 mm時(shí)換熱效果最好;隨著腔內(nèi)高低溫壁面溫差的增加，對(duì)流動(dòng)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(jì)提供理論依據(jù)。

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

中圖分類號(hào)：TN98-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X（ 2019）24-0050-05

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

對(duì)封閉腔體自然對(duì)流的研究已有很多，馬崇揚(yáng)等對(duì)封閉方腔內(nèi)放置方形熱源自然對(duì)流換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明Rayleigh數(shù)和長(zhǎng)寬比對(duì)方腔溫度場(chǎng)分布和流場(chǎng)渦卷有顯著影響[2];徐梓斌等對(duì)熱源在水平腔內(nèi)引起的自然對(duì)流問題進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了熱源尺寸與不同邊界條件對(duì)流動(dòng)換熱的影響[3];蔣宏利等研究了側(cè)壁上同時(shí)有3個(gè)熱源及各熱源加熱功率不同對(duì)流體流動(dòng)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(duì)流換熱中傾斜角度和Rayleigh數(shù)對(duì)流動(dòng)換熱的影響[5];文獻(xiàn)[6-8]等所研究的模型都是內(nèi)熱源位于腔體中心，而在實(shí)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(duì)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(jìn)行分析，而通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行印證其觀點(diǎn)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(zhǎng)方體腔換熱效果的因素，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行印證。

1 物理模型

物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。封閉長(zhǎng)方體腔長(zhǎng)寬高分別為L(zhǎng)，W，H;腔內(nèi)離散熱源長(zhǎng)寬高分別為L(zhǎng)，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(dá)到絕熱的效果，實(shí)驗(yàn)中只考慮溫差引起的密度變化，初始速度U= V=W=0。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)時(shí)激光全息干涉實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)采用ZVB30-15自充氣自平衡精密隔振光學(xué)平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。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(kuò)束鏡、準(zhǔn)直透鏡、調(diào)整架等組成。實(shí)驗(yàn)選用DC系列低溫恒溫水槽，滿足對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，全息干板進(jìn)行預(yù)硬化、顯影、定影、漂白等處理。實(shí)驗(yàn)光路如圖2所示。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布

實(shí)驗(yàn)對(duì)無內(nèi)熱源封閉腔體在不同Rayleigh數(shù)的工況進(jìn)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(chǎng)和流場(chǎng)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(zhǎng)趨勢(shì)，這意味著換熱效果逐漸加強(qiáng)。隨著Rayleigh數(shù)的增大，空氣流動(dòng)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(dāng)Ra=84 555時(shí)，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(duì)流越來越明顯，換熱逐漸加強(qiáng)，即圖4中干涉條紋變細(xì)，數(shù)量增多;根據(jù)激光全息干涉條紋溫度計(jì)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(duì)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(dòng)清晰，隨著換熱加強(qiáng)，相鄰渦卷發(fā)生融合現(xiàn)象，界限模糊。

3.2 熱源數(shù)量對(duì)換熱的影響

為探究熱源數(shù)量對(duì)封閉腔內(nèi)自然對(duì)流換熱的影響，對(duì)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(gè)熱源、兩個(gè)熱源的工況進(jìn)行研究，分析腔內(nèi)空氣流動(dòng)換熱規(guī)律，Nusselt數(shù)見圖6，溫度場(chǎng)和流場(chǎng)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(gè)熱源、兩個(gè)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(gè)熱源間存在相互影響。由圖8可見，當(dāng)腔體內(nèi)無內(nèi)熱源時(shí)，隨時(shí)間變化形成的渦卷界限清晰，流動(dòng)穩(wěn)定;當(dāng)腔內(nèi)有一個(gè)熱源時(shí)，形成兩個(gè)渦卷，與無內(nèi)熱源工況相比渦卷界限相對(duì)模糊，并開始變形流動(dòng);當(dāng)腔內(nèi)有兩個(gè)熱源時(shí)，渦卷數(shù)量增至四個(gè)，中間渦卷較細(xì)，兩側(cè)渦卷較寬，側(cè)壁面附近流動(dòng)變得微弱，換熱效果減弱。3.3熱源間距對(duì)換熱的影響

為探究熱源間間距對(duì)封閉腔內(nèi)換熱效果的影響，對(duì)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(jìn)行研究，分析腔體內(nèi)空氣流動(dòng)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(shì)，熱源間距d=50 mm為換熱效果最佳工況。

由圖10可知，當(dāng)熱源間距較小時(shí)，空氣外部流動(dòng)與單熱源腔體的流動(dòng)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(gè)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(qiáng)，直到間距為50 mm時(shí)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(dòng)逐漸減弱，換熱減弱。

3.4 壁面溫差對(duì)換熱的影響

為探究壁面溫差對(duì)封閉腔內(nèi)換熱效果的影響，對(duì)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(gè)熱源時(shí)，熱源與上下壁面溫差為5℃，10℃，15℃，20℃工況時(shí)進(jìn)行研究，分析腔體內(nèi)空氣流動(dòng)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(zhǎng)的趨勢(shì)，換熱加強(qiáng);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(shí)，渦卷內(nèi)部流動(dòng)清晰且穩(wěn)定;當(dāng)溫差為15℃時(shí)，渦卷開始流動(dòng)并逐漸混亂，且存在消融現(xiàn)象，說明腔內(nèi)空氣流動(dòng)加強(qiáng)，換熱效果加強(qiáng);當(dāng)溫差為20℃時(shí)，渦卷較溫差為15℃時(shí)更混亂，出現(xiàn)振蕩和混沌現(xiàn)象。

4 結(jié)語

針對(duì)電子設(shè)備散熱問題，通過無接觸激光全息干涉技術(shù)對(duì)多熱源耦合的電子設(shè)備散熱問題進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：隨著熱源數(shù)量增加，對(duì)流動(dòng)和換熱越來越不利;當(dāng)腔內(nèi)有兩個(gè)熱源時(shí)，隨著熱源間距增加，腔內(nèi)換熱效果先增強(qiáng)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(duì)流動(dòng)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(jiǎn)介：戰(zhàn)乃巖（1975-），女，吉林長(zhǎng)春人，博士，教授，主要從事傳熱傳質(zhì)工作。