摘要：采用Boussinesq 假設(shè)對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中的自然對(duì)流傳熱行為進(jìn)行研究，考察了電子設(shè)備外壁自然對(duì)流過程的傳熱特性。通過分析水平、豎直壁面和圓柱、球體曲面的自然對(duì)流過程，建立了自然對(duì)流傳熱系數(shù)公式。同時(shí)，研究了電子設(shè)備在工作環(huán)境下的輻射傳熱行為，簡(jiǎn)化了輻射傳熱方程，獲得輻射傳熱系數(shù)公式。在此基礎(chǔ)上，整合對(duì)流傳熱系數(shù)公式和輻射傳熱系數(shù)公式，獲得和壁面溫度相關(guān)的綜合傳熱系數(shù)公式，該公式可以快速計(jì)算電子設(shè)備外壁與環(huán)境之間的傳熱量，為電子設(shè)備的熱管理設(shè)計(jì)提供更為便捷和有效的研究手段。

關(guān)鍵詞：Boussinesq；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；自然對(duì)流；輻射；綜合傳熱系數(shù)

中圖分類號(hào)：TB24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電子設(shè)備在科研、工業(yè)及消費(fèi)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，研究電子設(shè)備的熱管理及熱可靠性的設(shè)計(jì)和分析方法越來越受到重視[1-3]。加熱卷煙、電子加熱設(shè)備、手機(jī)等手持式消費(fèi)電子產(chǎn)品，需要嚴(yán)格控制外表面溫度，以保證其使用安全和能耗控制。自然冷卻是一種比較可靠的散熱方式[4-5]，無噪聲且經(jīng)濟(jì)可靠，是電子產(chǎn)品散熱方式的首要選擇。通過自然冷卻設(shè)計(jì)，對(duì)電子設(shè)備提出合理的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，將設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱器件的熱量通過最低的熱阻路徑傳至設(shè)備的外部環(huán)境，保證設(shè)備在合理的溫度范圍內(nèi)正常工作[6-7]。

傳統(tǒng)的自然冷卻設(shè)計(jì)方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法[8-9]和理論分析法[10]。經(jīng)驗(yàn)公式法就是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式，選用合適公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。該方法雖然計(jì)算簡(jiǎn)便，但受發(fā)熱體的幾何形狀和尺寸、溫度、環(huán)境等因素影響，準(zhǔn)確性不高；理論分析法是基于流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)理論和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)推導(dǎo)出自然對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算公式，再依據(jù)該公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。該方法雖然計(jì)算簡(jiǎn)便，但需要深厚的理論基礎(chǔ)，且不適用于復(fù)雜或不規(guī)則結(jié)構(gòu)的自然冷卻計(jì)算。

仿真技術(shù)的發(fā)展有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式法在準(zhǔn)確性和適用性上的一些不足之處。韋愈群等[11]通過數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)高速永磁同步電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，有效提升了電機(jī)散熱效率?？敌l(wèi)東等[12] 通過模擬計(jì)算分析某雙間接空冷塔系統(tǒng)的傳熱特性，進(jìn)一步提升間接空冷塔出口水溫均勻度。對(duì)于電子設(shè)備的自然冷卻設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)復(fù)雜因素的考慮較為有限，而仿真技術(shù)支持建立更加全面的模型，考慮發(fā)熱體的幾何形狀、溫度分布、環(huán)境條件等多種因素，從而可以更全面地模擬真實(shí)的傳熱過程。同時(shí)，仿真技術(shù)具有更大的靈活性，可以通過調(diào)整模型參數(shù)、考慮不同工況來進(jìn)行多種冷卻情景的模擬，為自然冷卻設(shè)計(jì)提供了更便捷的方式。

論文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，通過仿真模擬的技術(shù)手段，研究手持式消費(fèi)電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、尺寸、姿態(tài)和環(huán)境等因素對(duì)自然對(duì)流傳熱的影響，為熱設(shè)計(jì)和外形設(shè)計(jì)耦合建立數(shù)據(jù)支撐。并將對(duì)流傳熱速率方程和輻射傳熱速率方程進(jìn)行耦合，最終建立綜合傳熱系數(shù)公式，為快速評(píng)估傳熱計(jì)算提供基礎(chǔ)。