工程科学与技术，国际期刊20（2017）1106完整文章水平通道Mojtaba Mokhtaria，M.[10] Zhang，Jiang，Jiang.法拉da伊朗德黑兰谢里夫理工大学化学石油工程系b伊朗巴博尔诺希瓦尼理工大学机械工程系cd伊朗伊斯兰阿扎德大学萨里分校机械工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年9月4日收到2016年10月23日修订2016年12月5日接受2016年12月24日在线发布保留字：肋片排列的数值模拟混合对流水平通道板散热器A B S T R A C T本文用数值方法研究了层流和湍流条件下具有不同肋片布置的三维方管的混合对流。这项研究的重点是翅片安排，以提高传热的能力，而流动是不可压缩的，流体是空气。在我们的模型中，下管道壁定义为恒定的热流条件，而两侧壁和上壁是绝缘的。采用SIMPLE（Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations）算法的有限体积法处理压力-速度耦合问题。数值计算结果与实验数据进行了比较，两者吻合较好.计算结果表明，翅片布置方式对翅片的温度分布和冷却性能有显著的影响。这项研究的重点是在以前的研究中没有提出的鳍的新的安排。这些安排有3个模型与两个角度（30和45°）。根据结果，当简单的翅片布置被倾斜的翅片代替时，热传递大大改善（与基板热传递相比，在层流流中约40 -50%，在湍流中约15-20%）。此外，还研究了有限热流密度对温度分布的影响.值得注意的是，当翅片的最佳布置呈现在气流中时，翅片的温度显著降低。因此，当根据热通量源在基板上的位置调节翅片布置时，©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍翅片被广泛认为是将受热表面的热量传递到环境中它们提供额外的表面积，并促进涡轮机、平面或其他几何形状的冷却由于现代设备中存在可用空间和财务限制，因此应提供翅片的最佳布置和几何形状（对应于最大传热速率）以增强混合对流条件下的传热由于矩形翅片制造简单且成本低廉，因此它们用于增加系统的对流传热率在印刷电路板等现代设备中，改善表面的功耗会显著提高性能。这项研究的动机-*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 ： gmail.com （ M. Mokhtari ） ， mbarzegarg@yahoo. com （ M.Barzegar Gerdroodbary）。由Karabuk大学负责进行同行审查使用纵向翅片来增加矩形通道中的热传递。空气流在翅片表面上的传热主要是通过自然对流、强迫对流和辐射传热三种机制实现的。近几十年来，不同的科学家提出了各种对流冷却方案，以改善电子冷却中的对流传热[1，2]。一些研究人员对水平矩形翅片阵列的平均传热系数进行了各种研究[3，4]。此外，他们发现，不正确的应用翅片的表面，实际上减少了热传递降低到低于单独的碱的值。Jones等人[5]深入研究了翅片高度和翅片间距对传热速率的影响。最近，已经采取了几种设计条件来提高普通几何翅片的单位体积传热率。一些研究者利用微分变换法、配置法和最小二乘法[6-10]给出了有内部发热的多孔翅片的温度分布。Turkyilmazoglu[11]分析了一个拉伸和收缩http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.12.0072215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch-M. Mokhtari等人 /工程科学与技术国际期刊20（2017）1106-11141107安装在纵向矩形翅片表面上的机构，用于增强传热和提高效率。Cuce和Cuce[12]采用同伦摄动法研究了直多孔翅片的热性能，而Mor- adi等人[13]研究了对流和辐射对多孔三角形翅片性能分析的影响，其热导率与温度有关。Das和Ooi[14]考虑预测给定温度分布下自然对流多孔翅片中参数的多种组合。此外，Syed等人[15]研究了具有可变翅片尖端厚度的翅片套管换热器的创新设计。大多数研究都研究了横向、V形、连续或间断方形翅片的翅片高度和间距比的传热特性[16，17]。方形通道内不同肋片排列方式下的混合对流研究还很少。在本研究中，图1显示了在水平矩形管道中具有各种翅片阵列的自由流的示意图。 在流场中，空气流通过水平管道流动，并且通过混合对流散热鳍片的温度当空气向下游移动很长一段距离时，流动模式和热速率沿通道变化。本文的主要目的是对三肋排的三维流动进行数值模拟，以研究每种排在传热中的作用。此外，各种自由的条件进行了研究，并揭示了每个表面上的温度和对流性能的影响。 事实上，这些技术的差异与简单的翅片在平板。此外，本工作的重点是不同角度的翅片阵列与不同的表面热流在自由流。通过求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程，对流动结构进行了数值模拟。由于在低雷诺数（Re = 750和1500）下自由流的速度不高，因此假定流动保持层流。在高雷诺数（Re = 3000和6000）下，采用Ke此外，数值解与实验数据验证了一个简单的平行翅片进入层流气流。Fig. 1.各种翅片布置的示意图。命名法一CP传热面积[m2]比热容，[kJ kg-1 K-1]C1，C2，C1K-E模型的常数，[ -]DhEEijghKNuNu0PqRa水力直径，[m]总能量，[J]线变形率，[s-1]重力加速度，[ms-2]传热系数，[Wm-2 K-1]导热系数，[Wm-1 K-1]ReTu，ui，uj温度，[K]平均速度分量，[ms-1]笛卡尔坐标，[m]雷诺数，[-]希腊符号eR耗散率，[Wkg-1]湍流动能，[J kg-1]努塞尔数，[-]l，l，l层流、湍流nt和有效粘度，[Pas]不静压，[Pa]传热速率，[W]修正的瑞利数，[-]无翅片基板的努塞尔数，[-]MQ运动粘度，[m2s-1]密度，[kgm-3]rR，re湍流普朗特数，R-D2@xj--Þ¼-@xiþ@xj@xjh<$P<$llllqC51108米Mokhtari等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）11062. 控制方程Re^qu0Dh=l9雷诺平均Nu<$hDh;h¼q00ð10Þ耦合能量方程以获得翅片的热传递由于几项研究[18假设本研究的流动是稳定的，不可压缩的，Ra¼Kagbq4缺点：hTw-Trefð11Þ三维的由于自由流假定为层流（Re = 750和1500），温度不够高，粘性耗散和辐射传热被忽略。因此，Navier-Stokes方程的平均形式如下所示[18]：连续性方程：K空气A空气M空气其中l0、Dh和l分 别 是入口空气流的速度、通道水力直径和动态粘度。此外，h和Ka是平均对流换热系数，空气的传导性不良。这些定义的流体性质（努塞尔数和瑞利数）通过@u算术平均的板和流体入口温度@xiqi¼01.T参考值 1/4T进口管壁管通道水力直径的计算公式为：动量守恒：遵循：在qui uj@P@pupil。@uiqg<$ð2ÞD4A4×通道横截面积航道周长ð12Þ其中l是分子粘度，q是密度，u i是速度在方向xi上的平均分量，P是压力。能量守恒3. 数值方法在@xiqui T在@xj·.C@T33.1. 几何和网格其中C是分子热扩散率，由下式给出C¼l=Pr400由于在高雷诺数（Re = 3000和6000）下，自由落体的流态变为湍流，因此在高速度下湍流模型是必要的。在本文中，j-e湍流方程-重正化群（RNG）类型与近壁函数的关系计算了高雷诺数下的流动行为使用的公式如下[18]：J2有效的;有效的@qj@qjui@。l eff @jl.@ui@uj@ui-qeð6Þ本文研究了平板上水平肋片对空气混合对流的影响。模型的主要几何形状是Dogan等人使用的300 mm宽、100 mm高和1000 mm长[28]典型的鳍片壳体的简单阵列由基板上厚度为1mm的单个纵向鳍片组成本模拟选择的计算区域提出了各种翅片阵列以增强翅片的冷却性能。自由活塞沿着这些散热片移动，以降低平板的温度并去除平板的热速率。图1示出了用于我们研究的鳍阵列的布置。 在三个不同的方向上，分析了翅片角度h为30 °和45°时翅片的高度和厚度为@t@ xi@xirj@xit@xj@xi@xj分别为25 mm和1 mm三维模型我们的鳍如图所示。凌晨2在这些翅片阵列中，长度和@qe@qeu@。leff@eC埃湖@ui@ uj@ ui每个翅片翼展方向间距相应地为25 mm，@t@ xii@ xi re@ xi1e kt@ xj@ xi@ xje2 e2-C2eqj-aqj 7在这些等式中：.1-g18毫米整个渠道长0.6m，高0.01m和0.3米的宽度，如图所示。 2 b. 同样的几何形状的翅片也被用来研究简单模型的传热。在本配置中，高传热发生在靠近入口翅片处，并且完全在边界层内。需要非常细的网格来充分解析热速率因此，这个问题被分为三个独立的部分，a¼Clg3的g01美元bg3J2; g¼ E e;E ¼2Eij Eij;计算域的工作范围内的限制，E05。@ui@uj计算资源，如图所示。 2 b.8Ij：@xj@ xi完全结构化的网格是为一个 构建的模型在所有三维空间网格细化是在在本研究中，一阶迎风数值格式与SIMPLE算法解耦，所有的控制方程通过有限体积CFD内部代码求解。在Intel Core i7-3770，3.4-GHz处理器上进行仿真需要大约12 h的CPU时间该程序运行在Linux平台上。为了得到精确的结果，质量和动量方程的归一化余值被定义为小于10e5，能量方程的归一化余值被定义为小于10e7。该代码已在我们之前的研究中实现，并提供了验证结果[18雷诺数、努塞尔数和瑞利数作为用于定量评价结果的主要无量纲数定义如下：区域直接靠近翅片的每个部分。在鳍附近的网格的一个例子被描绘在图1中。 2杯评价数值模拟的主要因素之一是适当的网格布置。生成结构网格点以提高精度。此外，还进行了广泛的网格细化研究（网格数为872，000、1，746，000和2，620，000），以确定Re = 1500时Nusselt中的网格独立性。结果表明，细网格（1，746，000）具有足够的精度和可接受的收敛时间。网格和误差分析的进一步详细信息见表1。这些结果是在Dogan等人[28]对简单鳍的研究中@xjM. Mokhtari等人 /工程科学与技术国际期刊20（2017）1106-11141109（一）（b）第（1）款（c）第（1）款图二. a）边界条件b）区域计算c）网格生成。表1网格分析。网格类型的细胞平均传热系数-CFD平均传热系数-实验%相对误差粗872,0008.269.19.2罚款1,746,0008.749.13.9非常细2,620,0008.759.13.8XZ37.5毫米流入50 mm18.5 mm200 mm 600 mm 200 mmyZ一BC25 mm300毫米100毫米¼1110海里Mokhtari等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）11063.2. 自由度和边界条件流入气流的速度v=0.15 m/s（Re=1500），温度T1/4298k，局部条件P11大气压为了推广结果并找到最佳性能，对不同的入口速度（Re = 750、3000和6000）进行了检验。在底壁恒热流条件下，研究了水平通道内纵向肋片的混合对流换热。热通量施加在区域B的底部（图2b），其中存在翅片。基板的热通量率从Ra =4 e+ 7变化到Ra =6 e+8 [热通量= 20如图2a所示，边界条件应用于自由入流（入口速度）;平底板（恒定壁面热通量）;通道两侧和顶部（绝热无滑移壁面边界条件）;以及出流（外推）。根据实验装置[28]，基板是铜，翅片由铝组成由于该模型是一个共轭传热问题，固体和流体的能量方程耦合，以满足守恒方程。4. 结果和讨论4.1. 验证本文将平均换热系数的数值计算结果与其它实验数据进行了比较，验证了本文研究的精度 图 3将两组简单翅片的平均传热系数的实验数据[28]与数值模拟进行了比较。组2包括32个间距为8mm的翅片，组4包括15个间距为18mm的翅片该图清楚地证实了数值结果的精度，具有可接受的差异。此外，数值结果仍然验证了广泛的瑞利数。4.2. 不同翅片排列方式的流动特性及温度分布翅片布置的流型和温度分布如图4所示。在这幅图中，瑞利数分别为1500和6e+8。此外，除了简单的直鳍外，所有型号的鳍角都固定在30° 图图4a示出了温度变化图三. 验证。沿着鳍的流线。很明显，流动流均匀地沿着简单的翅片移动。此外，简单翅片横截面上的温度分布明显地表明，在翅片和底面附近存在温度梯度。当流体移动到出口时，流体中的温度升高。这表明热耗率沿翅片变化图4b示出了锯齿形布置的翅片内部的温度变化（模型1）。该图显示，流入的水流在向下游移动时发生波动。流动流上的温度变化表明，流动在域内迅速升温。此外，出口截面上的温度分布证实，在翅片附近的热区是如此之高，翅片的平均温度低于简单的翅片。模型2给出了流量和温度分布的新结构，如图4c所示。翅片的形成不同地作用于来流。翅片的这种布置在模型的中心产生核心发散通道，在区域的侧面产生会聚通道。当气流沿核心发散肋排列流动时，它们在肋片的流向空间中运动并冷却肋片。这种特性散热片的增加大大增加了基板的冷却。然而，会聚路径减少了翅片和流动之间的相互作用，并且翅片的冷却性能降低。截面上的温度分布清楚地显示了这些通道的不同温度区。实际上，大部分温度变化发生在侧路径上，而核心路径上的温度是恒定的，等于初始值。这证实了有效气流在收敛路径中的翅片和通风口的流向空间中移动。与最后两个翅片布置相比，图。 4D呈现对比鲜明的三维特征。虽然模型1和2似乎在散热片的冷却方面存在一些不足，但模型3利用了这两个模型的优点，并同时在收敛和发散路径中引导流动。当气流沿翅片运动时，它在其路径内压缩和膨胀。这增加了气流和表面的相互作用，并改善了域入口处翅片的冷却。虽然预计将大大提高冷却速率，但进入气流的动量显著降低，翅片的冷却性能降低。在相同条件下，模型1、2和3的散热性能比单肋片分别提高了8.1%、23%和16.2%。4.3. 翅片形成根据前面的注释，翅片的冷却性能通过对模型努塞尔数比的定量研究，可以正确评价翅片的传热性能 图 5通过轴向努塞尔数比Nu/Nu 0（Nu 0为无肋板的努塞尔数）的比较，说明了不同雷诺数和瑞利数对30 °肋板冷却性能的影响。低雷诺数下的努塞尔数比值表明，所有模型的热耗率值大致相似实际上，在低雷诺数下，浮力是主要因素，并且翅片布置对该区域的冷却性能没有显著影响。随着入口速度的增加，浮力的效果变得有限，并且不同的翅片布置呈现不同的冷却值。随着入口速度的进一步增大，在高雷诺数下，自由流变为湍流（Re= 3000，6000）。因此，流动从层流到湍流的转变显著地降低了努塞尔数比。实际上，湍流自由流流动对M. Mokhtari等人 /工程科学与技术国际期刊20（2017）1106-11141111图四、a）简单b）模型1 c）模型2 d）模型3上的流动流和温度分布鳍片的排列。换句话说，无肋板的努塞尔数（Nu0）在湍流中增加从图5a中可以注意到，当入口速度（或雷诺数）在恒定瑞利数（Ra= 6e+8）下增加时，模型2有效地执行。由于以30°的角度形成翅片，翅片布置可能导致空气朝向下游Z字形移动通过翅片。这些流线被迫与鳍接触，而模型1和3显示出各种来流的类似趋势。我们所有的模型都明显优于简单的鳍。图5还表明，当翅片角度为30°时，我们的三种模型比简单模型显著改善了传热。通过对三种模型的冷却性能进行比较，发现在各种工况下，模型2的冷却效率均高于模型1和模型3随着雷诺数的增加，第二个模型中的雷诺数保持层流（雷诺数小于3000），努塞尔数比增加，翅片表面的冷却得到改善（图5a）。这是由于在鳍片内部形成了流体动力学流型事实上，翅片的布置迫使流动沿展向方向移动，并且流动高度靠近翅片的表面。在第一种和第三种模型中，流动在特定的通道内运动，在翅片末端，动量和与翅片表面的图图5b比较了在恒定雷诺数（Re = 1500）下瑞利数对这些翅片的冷却性能的影响。很明显，这些模型的冷却效率这是由于在较高的瑞利数的浮力因子的影响结果表明，在不同的热流密度下，模型2比其他模型此外，Model 3的散热性能优于第一款车型，瑞利数图中显示了翅片角度为45°的这些模型的冷却性能比较。 六、 图6a表明，随着角度的增加，三种模型的冷却差异减小，当瑞利数Ra = 6e时，+8）。此外，在高雷诺数下，三种模型的总体冷却性能基本相同，略高于30°角模型。由于层流雷诺数的增加降低了浮力的影响，肋片排列方式对冷却性能有显著影响，努塞尔比增大。在湍流自由流（Re = 3000和6000）中，浮力的作用变得有限，主流的湍流结构对平板的传热起着关键作用。结果清楚地证实，该布置的影响在湍流（Re = 6000）中高度减小。在这个角度，模型2的表现略好于模型1，3.很明显，翅片的角度通过增加与翅片表面的流动接触来图6b描绘了当热通量以恒定雷诺数（Re = 1500）变化时，模型2和3的性能近似相似如前所述，流动路径上的压缩和膨胀广泛地增加了翅片与自由表面的接触，因此该模型在各种条件下的效率提高。事实上，鳍的角度的增加揭示了模型的这一特征。4.4. 热流分布研究高效翅片布置的主要挑战之一是基板上的热通量的真实分布。由于热流作为主要的热源对各种翅片布置的冷却性能起着重要的作用，因此有必要研究基板中心的有限热流分布。图7示出了基板的特定截面，其中热源被限制。在此修改的域中，施加恒定的热通量[840W/m2]，并且板的其他部分是绝热的。1112米Mokhtari等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）1106图五.在不同的a）雷诺数b）瑞利数下，30°的图8示出了在空气自由对流（Re = 1500）和有限热通量（840W/m2，Ra = 1.2e+9）条件下，板和翅片表面上的温度分布，角度为45°。结果表明，当热源被限制在基板的有限部分时，会出现明显的温度分布。在简单翅片中，高温区表面分布均匀。在模型中似乎没有发现一个值得注意的现象。温度分布的计算结果表明，在这种情况下，不同的翅片布置方式对温度分布有很大的影响首先，这三种模型的温度范围与简单的翅片有很大的不同。由于这些布置被应用于有限面积的热通量的条件此外，在这些模型中的温度分布是不同的流动沿翅片。模型1和模型3近似呈现相似的温度分布模式。不过，Model 2的散热性能要高于其他机型。在这片土地见图6。在不同的a）雷诺数b）瑞利数下，45°的见图7。 基板表面的热通量区域。M. Mokhtari等人 /工程科学与技术国际期刊20（2017）1106-11141113见图8。 有限热流下基板上不同肋片排列方式的温度分布比较。模型清楚地显示了显著的温度梯度，因为热通量源位于区域的中心。此外，在基板中远离主源的区域中温度降低。如前所述，该模型迫使主流沿展向进入鳍片空间。该模型高度耗散了位于基板中心的热通量源。因此，该模型对于有限热源的翅片冷却是有效的。5. 结论本研究的主要范围是调查使用不同的翅片布置对层流中基板冷却的影响。具体目标包括确定在一组指定的流动和热源分布下，具有不同角度的翅片的温度变化和冷却性能此外，还对沿这些模型的流态进行了广泛的讨论，并与简单翅片进行了比较研究结果表明，有效的肋片排列方式对平板的冷却性能有很大影响我们的研究结果表明，传热显着改善（约40从多个方面进行参数研究，以找到有效的安排。首先，简单的安排与参考情况进行了验证，以评估的CFD代码的能力，准确地计算温度和热量分布的域。数值计算结果与实验数据的误差小于3.9%。在此基础上，研究了翅片角度对气流流动结构的影响，得到了与简单模型不同的流态一个明显的变化当热源被限制在区域的中心时，温度分布被识别。根据我们的结果，当模型2出现在流动中时，板的冷却得到充分的增加。因此，强烈建议用于CPU等各种电子设备的冷却，这些设备的热速率对仪器的性能和设计寿命有很引用[1] M. Dogan，M. Sivrioglu，水平矩形通道中纵向翅片混合对流换热的实验研究：自然对流占主导地位的流动状态，能量转换。管理。50（10）（2009）2513-2521。[2] 彭杰·普罗姆冯，纳林·库纳帕多，蒙萨克·皮姆萨恩，Chinaruk Thianpong，装有倾斜涡环的换热器管的热性能增强，应用。Eng.62（1）（2014）285-292。[3] Asis Giri，Kankan Kishore Pathak，Biplab Das，在热处理过程中带罩垂直非等温翅片阵列的混合对流传热和传质的计算研究，Int. J.热质传递91（2015）264[4] 杰纳纳河苏坎塔·塞纳帕蒂周文，自然对流换热的数值模拟，清华大学学报，2001。J.Heat Mass Transfer 96（2016）330[5] Charles D.作者：Jones，李文，水平面上矩形肋片的最佳布置及其对自然对流换热的影响，热传导学报，第10卷，第19期，1997。[6] M. Barzegar Gerdroodbary，M. Rahimi Takami，D. D.陈文，热辐射对可拉伸收缩/扩张通道热辐射的影响，热分析，2000。Eng.6（2015）28-39.[7] 赛义德·E 加西米，M。哈塔米陈志华，热传导系数与热产生系数随温度变化的对流散热片热分析，热分析。Eng.4（2014）1-8.[8] A. Vahabzadeh，D. D. Ganji，M. Abbasi，全湿条件下变截面多孔针翅的分析研究，案例研究。Eng.5（2015）1-12。[9] M.哈塔米Ganji，M. Jafaryar，F. Farkhadnia，通过加权剩余法（WRM）对气态介质中的铁微粒进行瞬态燃烧分析，案例研究。温度Eng. 4（2014）24-31。[10] M. Hatami，G.H.R.Mehdizadeh Ahangar，D. D.甘吉角李文，全湿半球形多孔翅片的制冷效率分析，能量转换。管理。84（2014）533-540。1114米Mokhtari等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）1106[11] M. Turkyilmazoglu ， 拉 伸/ 收 缩矩 形 纵 向翅 片和 传 热 ，能 量 转 换。 管 理 。 91（2015）199-203。[12] E. Cuce，P.M. 同伦摄动法在纵向多孔翼效率和效能评估中的成功应用，能量转换。管理。93（2015）92-99。[13] A. Moradi，T. Hayat，A. Alsaedi，通过DTM对具有随温度变化的热导率的三角形多孔翅片的对流-辐射热分析，能量转换。管理。77（2014）70-77。[14] R. Das，K.T.Ooi，预测用于设计经受给定温度要求的多孔翅片的参数的多个组合，能量转换。管理。66（2013）211-219。[15] K.S. 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