利用位移设计增强自然对流散热器

提高散热器性能的技术主要集中在热边界层中断和翅片诱导上。而且，这些研究大多只报道了实验结果，没有进一步详细分析物理现象。因此，本研究提出了一种基于两片垂直板间气流温度分布来提高翅片阵列热性能的新设计。在这种设计中，交替翅片可以在垂直方向上上下移动，以延缓两个连续翅片之间边界层的合并。实验也验证了所提出的设计。同时，利用确定性筛选设计方法(DSDs)对散热器参数的影响进行了数值分析。本研究选择了用于电子冷却应用的市售散热器的尺寸。高度与翅片间距比的最大值和最小值分别为10和2，长度与翅片间距比的最大值和最小值分别为30和8，热流密度分别在120 ~ 450Wm−2之间变化。

实验装置示意图如图1所示，包括试验箱、散热片试验段、供电系统和数据采集系统。试验箱的尺寸为2.2 m x 1.0 m x 1.1 m，其有效体积几乎是测试截面的1700倍。因此，腔室表面对气流循环的影响可以忽略不计。测试室由亚克力板制成，将测试室与外部空调空间分开。请注意，在实验期间，空调空间保持在25°C左右的几乎恒定的温度。为了保证实验室内温度的稳定性，在远离散热器的三个点和靠近散热器的两个点测量温度。稳态的标准是在所有的实验条件下温度读数应该是相同的。在整个实验过程中，热电偶测量的温度偏差在±0.1°C以内，以确保稳态。注意气流没有从测试箱的顶部和底部被阻挡，在实验过程中，测试箱是打开的。只有外壳的四个侧面是封闭的，以防止任何从外部夹带的空气。其他研究也采用了类似的概念。

图1 试验部分详细信息。

具体几何参数如图2所示。为了尽量减少测试过程中辐射传热的影响，翅片表面进行了精细抛光，发射率为0.02。相应的发射率由发射计测量(TSS-5X型，日本传感器公司制造，精度为1%)。在这方面，辐射的影响可以忽略不计。

图2 散热器几何参数。

两个连续的翅片在散热器阵列中形成一个通道。在有和没有翅片位移的情况下，沿通道的边界层发展示意图如图3所示。在所 有情况下，附面层都在翅片壁上发育，并沿着翅片的长度生长。两个相邻的附面层最终在某一点相遇，从而形成充分发展的流动。翅片间距越大，边界层合并时间越长。对于更大的间距，两个发展的边界层在离开变化后可能不会相互合并。自然对流作用下两翅片间边界层的发展示意图。另一方面，对于窄间距翅片，边界层很早就在翅片通道的入口合并，从而产生较高的HTC之间。在完全发达的地区，温度梯度相对较小，因此提供了低得多的HTC。在这方面，强化传热的策略是延迟边界层合并。因此，利用翅片位移可以有效地延迟边界，如图3所示。

图3 自然对流作用下两翅片间边界层的发展示意图。