基于热沉混合设计的热性能改善

工程科学与技术，国际期刊23（2020）1144完整文章基于热沉混合设计的热性能改善希沙姆·H Jasim巴格达大学，Al Khwarizmi工程学院，机电工程系，伊拉克阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2019年2019年10月11日修订2019年10月24日接受在线发售2019年保留字：自然对流换热散热器混合鳍设计热性能改善A B S T R A C T有许多科学尝试来改善散热器的热性能，这些散热器用于使用两种类型的翅片之间的合并来从能源中去除热量本文采用垂直合并的方法，这就导致了混合设计的出现，其施加的总重量是恒定的。因此，原始模型的全尺寸对于所有提出的模型都是稳定的，以实现在有限空间中的可用性和确定采用模型的最佳性能。在自然对流和Ra数为105、106和107的情况下，对换热器的传热、热阻、努塞尔数和对流换热系数进行了解析计算。将所有这些考虑因素应用于可变表面积（1在这项研究中，两种验证方式考虑;数值解（ANSYS模拟）和数据改编自其他参考。结果表明，基于高水平的一致性（0.52%结果表明，复合材料的传热、热阻和努塞尔数分别提高了78%特别地，所有参数都显著改善了小于或等于1.5的面积比另一方面，传热和表面积对热性能的影响相互克服，因此，在面积比高于1.5的情况下，性能稳定同时，随着Ra值的增大，换热系数和热阻系数的提高幅度减小由于原始模型的热性能较弱，与小Ra数相关。©2019 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. 介绍今天的设备有不同的可能性，这意味着需要复杂的电子系统与高封装密度，这与增加的热问题。这就导致越来越多的工程应用都与快速运动的热传递有关。因此，延伸表面用作散热器以从各种热环境中发现的电气和电子设备移除热量。另一方面，存在各种尝试来改善在有限空间中使用的散热器的性能为了消除来自发电源的热量，应用有效的冷却系统以使设备保持在最低温度[1]。通常，主动和被动冷却被用作传递产生的热量的主要解决方案。 根据主动冷却，需要强制移动的流体来吸收热量电子邮件地址：hisham@kecbu.uobaghdad.edu.iq在电子封装中产生[2，3]。同样，其他应用使用自由对流和辐射效应将产生的热量排出到周围区域[4，5]。具体地说，通过实验测试，研究了一种新设计的板立方体针翅热沉。结果表明，与经典模型相比，该模型的传热量提高了41.6%，热阻降低了12热沉[6]。许多研究思路依赖于两种翅片之间的固结。采用共轭梯度法对纵鳍和棘鳍的最佳湿鳍形状进行了估算。结果表明，最佳参数（效率和翅片形状）随Biot数的变化而变化。此外，与纵向翅片相比，在脊完全润湿翅片的情况下，可以发生很大的改进[7]。 对两篇文献[8，9]中有关平板圆形针翅热沉的热性能和压降进行了研究。补充部分涉及基于水力性能的https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.10.0072215-0986/©2019 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/jestch¼H.H. Jasim/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1144-11521145命名法Q热传递[W]Q* 传热比Rth热阻[°C/W]Ra瑞利数t厚度[m]希腊字母H温差D步增量对针翅的形状和排列有很大的影响结果表明，与针翅式散热器相比，针翅式散热器的压降有所增加，热阻有所下降基于k-ε湍流模型，求解了翅片间椭圆销的控制方程然而，改进设计的Nus- selt数和热阻改善，并与椭圆销半径成反比[10]。一些研究工作集中在改进的鳍性能。其中采用数值模拟和实验测试表明，纵向散热器在自然对流条件下，其安装角度为90 °时的冷却性能最高[11]。而其他研究人员试图开发自旋翅片散热器。圆柱形微翅片散热器的翅片效率比大于人工表面粗糙度的单位[12]。六边形翅片散热器的变化结果（Nu-Re和f-Re）证明，随着雷诺数的增加，摩擦系数减小，Nus- selt数增加[13]。一般来说，研究人员一直致力于提高Nu数作为测量，以增强传热另一方面，参数，如;边界条件，温度分布，流动类型。. 等对Nu数的增加有不同的影响。此外，还对一种双管换热器进行了Nu-Re强化。 结果表明，最大平均努塞尔数与Re = 5000有关[14]。同样，在数值研究的基础上，在换热管中采用开孔锥形环来改善换热效果。这里，Nu-Re关系的结果表明，根据锥形环的类型，传热系数的增强水平可以达到66.84%[15]。在另一篇文章中，对Cu-水纳米流体用于换热管进行了数值研究，结果表明，根据纳米颗粒的体积分数和锥形环的孔数，Nusselt数的提高可以达到278.2%和159.7%之间[16]。还可以观察到，许多文章研究了Nu和Ra之间的影响，以显示自然对流换热下热性能分析的变化。此外，还计算了倾斜角和壁面发射率分析了太阳能腔式接收器在自然对流和非自然对流联合作用下纳米悬浮液与范围的Re.结果表明，实现热工水力性能的增强取决于蠕动流速和热通量的增加[18，19]。通过使用现有的关联式找到相同重量下等温穿孔板和实心板的热参数，验证了穿孔板改善传热的可能性[20]。此外，结果表明，如果带有加热底座的针翅被中空，则传热系数会增加[21]。另一方面，在自然通风条件下研究了安装角度对直翅片散热器的影响，结果表明，最差性能和最佳性能分别出现在15°和90°的角度[22]。一些研究包括实验验证的重要-基于操作条件的经验值（保持热量– sink temperatures below 100 °C, Power inputs about 5–40 W) tofind the Convective h for bare plate under natural convection [23]从上述文献中，研究人员试图改善流过纵向或针翅的冷却流体的强制或自然对流的热传递。同时，它们在两种类型的鳍片之间的水平合并[6相反，目前的研究计划使用翅片之间的垂直合并，以通过稳定总尺寸来实现所需的改进，而不会改变散热器的重量。这一假设可能有助于在特定空间中使用新模型。因此，本文提出了一种结合纵向肋和脊肋优点的混合几何结构，作为改善热性能的新途径散热器的作用。2. 方法和计算程序为了实现当前的研究目标，将图1a所示的部分纵向鳍转换为图1-b所示的自旋鳍。同时，对纵向减摇鳍的总尺寸进行了安装.这导致了基于纵向部分的剩余长度（L1）热传递结果表明，与倾角的影响相比，Ra和发射率对Nu的影响较大[17]。L2WELL-L1tω NO其中LT = L1 + L2，NO =自旋翼片的数量ð1Þ另一个科学目标是找到不同液态金属的微通道传热系数在本工作中，采用12针翅片取决于翅片之间的空间和原始模型的几何尺寸一横截面积[m2]不温度[°C]A*面积比W翅片宽度[m]D微分维数X长度轴线EFF效率H对流系数[W/m2.°C]下标K导热系数[W/m.°C]空气冷却流体L1混合模型中纵向翅片长度[m]法实际L2混合模型中旋转翅片长度[m]平均平均Lt总长度[m]B基地M翅片性能系数[1/m]C正确Nu努塞尔数尖端鳍尖P周长[m]sur表面PR普朗特数DXDXDX：dxK小行星1146Jasim/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1144任何翅片的热分析都依赖于用于定义和简化问题以获得一般解的假设。本研究中进行的传热分析依赖于以下假设：1. 稳定的热传导，不产生热量。2. 肋片高的一维传热分析。3. 恒定的电导率（k = 200 W/m.K）和恒定的基础温度。4. 在一个修正的长度，鳍尖的绝缘和辐射的影响被忽略。5. 均匀环境温度和均匀对流换热系数。能量微分方程Eq.通过对图2所示的微分元件应用稳态热平衡，公式化了（2）[24，25]。 高（dx）的该微分元件平行于鳍基部（w）。t）。然而，在Eq. （3）[26]。D.Aconddhdxh：Ph：dx2为了得到温度分布，使用边界条件Eq.（4）.在这里，这些常数是根据两个区域的翅片类型计算的：纵向或销。hhxm1coshmi：xm2 sinhmi：xm2····· i< $1;23B.C：hxl<$0hxlhbdhxl <$0 LTch <$09>=ð4ÞFig. 1. a -原装散热器。bd h和hexxxl2在x1/4 L1处是均匀的其中：h/4Tbx-T空气;hb¼Tb- T空气;图二.元素说明。>>;我X1=sinh m：L11k：ABC2¼hb2DXH.H. Jasim/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1144-11521147表1几何参数和热性能。几何参数热性能宽（毫米）T（mm）没有长度（毫米）L1（mm）KTP°CT空气°CRA69312305–252007025105m<$rh：P;C1/4h ≤0≤ x≤L1 ≤根据一般解，通过翅片的热传递计算公式如下[27]：m1cosh½mX1Q act1/4-k：A。dhx¼0ð5Þ···X1½m1cosh½m2LTC-L1]coshm1：L1m 2sinh½m2LTC-L1]sinhm1： L1]sinhm1：L1C1½hbm1cosh½m2：LTC]L 1x≤LTcC2¼-C1 tanhm2： LTc···： L1 x≤ LTc<在混合模型中，采用面积比来表示热物性的接近程度.它表示混合模型的表面积与原始表面积之间的比率，如等式2中所述。（6）.1-cothm1：L1图3.第三章。网格配置a）L1 = 0.02 m，b）L1 = 0.01 m。图四、网格独立测试a）L1 = 0.02 m，b）L1 = 0.01 m。¼9¼¼½1þ]=圣座1148号Jasim/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1144Aω混合模型的表面积原始模型ð6Þ对流传热系数可以根据经验关系式[24]来取。当Ra数的使用范围时，有步骤改变与每个Ra数相关并显示级别根据原来的模型进行改进。因此，热传递比Eq.（7）实际与原始案件之间Nu¼ h：LTK航空沪公网安备31010502000118号20： 3 87Ra1= 616PRð9Þ** 0：492月9日 8=27;Q行为混合模型的ω Q作用原模型的ð7Þ平均传热系数h_average可以基于等式2来（10）[21]。热阻可以根据方程计算。（8）其中HQ行为包括影响热性能的最重要参数[28]。平均效率：A上升：hb上升10分Rth¼Ltpq第1页Σð8Þ平均温度-空气温度ð11Þn第1页表2h： P： k： AD xtanhPnH：Pk：ATb-T空气通过采用混合模型，可以将表面积与两个表面相关联;纵向表面积解析解与数值解的Nu比较操作参数Nu（分析）Nu（Ansys）翅片（提醒部分）和引脚翅片表面积如下：Asur：¼½2：wt：L1]NO：½4：t：L2]12而Nu数可以计算如下[25]：h LTNu平均值：K航空ð13ÞPDx被认为。LT（mm）RA0.0210733.434.010.0210619.6420.170.0110736.7837.140.0110628.7529.09图五. (a)几何构形的计算模拟。(b)L1 = 0.02 m和Ra = 107时，本研究与ANSYS结果之间的比较。见图6。(a)几何构形的计算模拟。(b)L1 = 0.02 m和Ra = 106时，本研究与ANSYS结果之间的比较。H.H. Jasim/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1144-11521149如表1所示，计算求解程序（MATLAB）用于根据几何和热特性的计算过程。垂直板[26，27]和方程的经验相关性。（10）与温度分布有关的公式计算对流系数的平均值。在此基础上，分析了鳍尖最低温度的稳定性。（3）作为数值迭代过程中成功选择的度量。然后，可以找到讨论热分布的所有必要参数。3. 计算分析采用ANSYS-16稳态热分析软件对散热器进行热分析对于独立的结果，由于两种类型的鳍之间的组合产生的曲率和边缘，所提出的模型需要高度精确的因此，先进的尺寸函数的邻近度和曲率的变化，随着增加的面大小向独立网格的独立获得的充分图中所示的一些模型的网格配置。3 .第三章。为了获得合适的网格，采用最低温度（在翅片尖端）作为成功网格的度量。图4显示了几个网格的测试，以确保研究处于稳态。然后，在独立情况下，采用网格点的数目来求温度分布。此外，为了检查解析解结果的可靠性，通过考虑数值分析中获得的网格点数计算努塞尔数[14，17]。表2示出了在不同操作参数下Nu的分析和数值结果见图7。(a)几何构形的计算模拟。(b)L1 = 0.01 m和Ra = 107时，本研究与ANSYS结果之间的比较。4. 结果和讨论4.1. 通用解决方案的验证在这里，有两种验证方法采用文献[28]中的公式对所提出的模型进行了验证，前提是在采用的针形鳍上增加一个长鳍这样的假设可以得到比较符合逻辑的结果。在第二种验证方式中，将分析模型的结果与计算模拟的结果进行了比较。验证程序处理相同的几何参数和热性能，以显示工作的准确性。将结果与每种情况下的最佳网格尺寸采用混合设计的温度分布（h/hb）来验证比较结果的收敛性。图图5和图6分别示出了Ra = R10 7和Ra = R10 6时L1 = 0.02 m的比较结果。 虽然图图7和图8分别示出了L1 = 0.01 m与R10 7和Ra = R10 6的比较。用一般解计算的温度分布与ANSYS数值计算结果的最大误差不超过0.52%，与文献[28]计算结果的最大误差不超过1.2%。尽管如此，验证结果差异的原因可说明如下：1- 在分析模型中，采用修正长度来简化翅片顶端对流换热的事实。2- 在分析模型中，忽略了从螺旋肋之间的空间传递的热量。见图8。(a)几何构形的计算模拟。(b)L1 = 0.01 m和Ra = 106时，本研究与ANSYS结果之间的比较。海平面1150度Jasim/工程科学与技术，国际期刊23（2020）11443- 对流系数根据参考文献[28]中的区域类型分为多个值。在这部作品中忽略了这一点这导致比较结果与翅片长度的差异增加4.2. 传热性能根据通解，根据方程计算了传热量。（4）. 图图9和图10分别示出了实际传热（Q act）和传热比（Q act *）的结果。一般来说，传热量随面积比（A*）而增加。如图9所示。纵向鳍片和旋转鳍片的混合设计使得散热器的温度分布在较大的区域。而且，随着Ra值的增大，其增长速度加快。但发现在（A* > 1.6）温度收敛的情况下，近似稳态也能发生。当Ra = 107、Ra = 106和Ra = 105时，传热量分别增加了78%、81%和87%。发现基于Ra数的值，传递的热量以不同的水平增加，如图10所示。然而，随着Ra值的增大，改善的增量减小。对这种现象的解释可以追溯到具有少量Ra的原始模型的热性能的弱点，这通过传热的增大值来证实。图9.第九条。传热量随面积比的变化图10个。传热比随面积比的变化4.3. 热阻行为热阻随面积比的变化如图11所示。可以看出，随着面积比的增加，热阻降低。当A*> 1.6时，步数逐渐下降到收敛状态此外，当Ra数增加时，耐热性进一步结果表明，当Ra = 105、Ra = 106和Ra = 107时，热阻分别降低了47%、45%和42%。而增加Ra导致热阻提高2.2倍。混合模型（A*> 1）和原始情况（A*= 1）之间的热阻比是在不同的Ra数下确定的，如图所示。 12个。按传热比法计算，Ra = 105时，传热系数提高最显著.其原因是，与原始情况相比，同时，混合模型的Ra变化导致不同程度的改善，这是可以接受的。4.4. 对流系数和努塞尔数方法当量（10）包括影响热传递过程的许多参数。另一方面，结果显示，如图11所示，当A*= 1.5时，吸收系数增加，然后降低。见图11。热阻随面积比的变化。见图12。热阻比随面积比的变化。H.H. Jasim/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1144-11521151图十三. 对流换热系数随面积比的变化规律。图十四岁Nu数随面积比的变化图 13岁这种行为上的差异是由传热（分子）和表面积（分母）之间的重叠效应引起的因此，与表面积的影响相比，传热（在A* 1.5处）对对流系数的影响更大。此外，这种行为反映在A* > 1.5。然而，无论是传热和表面积增加的面积比和Ra数，但在不同的增量。图14表示在Ra数范围内Nu随面积比的变化。很明显，Nu数随着A*而增加，而且Nu随着Ra的增加而有额外的改善但是，由于对流系数和翅片散热器高度之间的相反影响，可以发生在近似稳态之后的收敛情况（在A*> 1.5处）特别是当Ra = 107、Ra = 106和Ra = 105时， Nu数分别提高了79%、81%和82%5. 结论重量稳定是散热器在应用改进要求时所采取的主要目标。因此，混合设计的总尺寸稳定，而模型的形状改变。取决于纵向翅片的转换部分到在同一轴线上的自旋翅片的传热。模型形状的这种更新改进了与混合模型相关的温度方法为了建立混合翅片散热器的数学模型，考虑了数学方程的解析分析。为此，数值解与数据改编自其他参考文献被用作验证方法。结果表明，基于高水平的协议的最大差异不超过（1.2%）的分析模型的可靠性很好。结果表明：传热，热阻和努塞尔数显着改善面积比小于1.5取决于混合模型的优点。此外，热参数（在面积比> 1.5）的收敛后，作为对流系数的负重叠的结果的近似稳定状态。特别是热传递、热阻和努塞尔数分别提高了78%传热比和热阻比随面积比和Ra数的增加而提高。同时，由于原始模型的热性能与小Ra数相关联的弱点，增强的增量随着Ra值的大而减小传热和表面积对热性能的影响相互克服，导致对流系数的行为的差异。因此，性能的稳定性可以在大于1.5的面积比中发生。因此，A* =1.5给出了与几何形状和热考虑相关的最佳所需目标之间的最佳设计组合。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] M.毛文，矩形通道内磁场对针翅式散热器热性能的影响，实验研究。热流体科学44（2013）138-146。[2] A.A.A. 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