摘要 采用數值模擬的方法，研究脈動流作用下翅片散熱器的散熱效果，分析脈動振幅和脈動頻率對散熱性能的影響。結果表明：脈動流能增強翅片散熱器的散熱效果;隨著脈動振幅增大，瞬時換熱性能和瞬時阻力性能波動越來越強，平均換熱性能和平均阻力性能增加;存在最佳振幅使綜合換熱性能最高;隨著脈動頻率增大，瞬時換熱性能變化不大，平均換熱性能逐漸減小;瞬時阻力性能波動劇烈且波動幅值增大，平均阻力性能減小;存在最佳頻率使綜合換熱性能最高。

　　關 鍵 詞 翅片散熱器;電子器件;脈動流;強化傳熱;數值模擬

　　0 引言

　　隨著電子及通訊技術的迅速發展，高性能芯片和集成電路的使用越來越廣泛。而電子器件芯片的功率不斷增大體積逐漸縮小，使其散熱問題日益突出，因此，保證電子設備在安全溫度下運行非常關鍵。近年來，利用脈動流技術強化通道內流體的傳熱和傳質性能得到研究者的廣泛關注。潘朝峰等[2]總結了脈動流的發生形式和脈動強化換熱機理。

　　文獻[3-4]通過數值模擬研究了脈動流對帶凹槽通道換熱的影響，得出脈動速度使凹槽中的旋渦周期性的脫落，增強了凹槽中流體與主流體的摻混，從而得出脈動流對凹槽通道起到強化傳熱的結果。文獻[5-7]研究了脈動流對帶有縱向渦流發生器矩形通道內的對流傳熱問題，發現脈動振幅和頻率對流動和換熱影響較大。楊志超等[8]通過實驗和模擬研究脈動流對三角凹槽通道內的流動與換熱的影響，結果表明：存在一個使強化傳熱效果最好的最佳脈動頻率。

　　Armin等[9]對圓柱體脈動流動中的非穩態傳熱動力學進行研究，得出傳熱動力學受多個時間尺度的控制。Akdag等[10]對脈動納米流體在波紋通道中進行研究，得出在脈動流下納米顆粒換熱增強的結果。Zamzari等[11]對水平通道內脈動流熵產與換熱的數值研究，得出脈動頻率和振幅對熵產有強烈的影響。Zhang等[12]研究了3種脈動形式對微通道散熱器傳熱的影響，得出正弦波作用下的傳熱系數最高。Naphon等[13]利用脈動流和磁場對螺旋波紋管中TiO2-水納米流體對流換熱的影響，得出組合傳熱提高了熱性能。Yang等[14]對蒸發器內兩相脈動流動的傳熱測量及流型可視化進行研究，結果表明在短周期的脈動流中，可以最大限度地提高傳熱。

　　可以看出，脈動流強化傳熱已受到廣泛研究，但在翅片散熱研究方面的成果相對較少。本文將脈動流用于電子器件冷卻，能豐富脈動流的應用范圍，指導實際應用。

　　1 散熱器模型及計算方法

　　1.1 物理模型

　　將散熱器置于一矩形通道中，如圖1所示，空氣由左向右流過散熱器。散熱器底部基板中間部位為發熱元件。散熱器結構及尺寸如圖2所示。通道及散熱器尺寸列于表1。需要說明的是，散熱器基板的寬與通道的寬相等，翅片頂端到通道上底板之間的間隙為2 mm。

　　1.2 計算方法

　　分析脈動流作用下散熱器的對流散熱效果，采用的控制方程包括連續性方程、動量方程和能量方程，具體描述如下：

　　1)連續性方程為

　　[ρ?ui?xi=0]， (1)

　　2)動量方程為

　　[ρ??xj(uiuj)=-?p?xi+μ??xj(?ui?xj)]， (2)

　　3)能量方程為

　　[ρ??xjujT=λcp??xj(?T?xj)]， (3)

　　式中：ρ為密度，kg/m3;ui，uj分別為i和j方向上的速度分量，m/s;xi，xj分別為i，j方向的坐標;μ為動力粘度，Pa·s;p 為壓力，Pa;T為溫度，K;λ為導熱系數W/(m·K);cp為流體的定壓比熱流，J/(kg·K)。

　　控制方程的求解采用SIMPLE算法。邊界條件設置：給定進口溫度和脈動風速，風速計算式為uin =u0+Asin(2πft)，式中uin為矩形通道進口速度，u0為穩流時的進口速度，A為脈動振幅，f為脈動頻率，t為時間。底面為等熱流密度邊界條件，熱流密度為q =1.0×105 W/m2，通道兩外側壁面設為絕熱邊界條件。

　　計算中用到的參數定義如下：

　　[Re=ρuDhμ]， (4)

　　[Nu=hDhλ]， (5)

　　[f=2ΔPρu2lDhL]， (6)

　　式中：Dh為通道橫截面當量直徑，m;h為矩形通道內對流換熱系數，W/(m2·K)，h=q/ΔT;L為流動方向總長度，m;Δp為進出口壓力差;溫差ΔT取代數平均溫差。

　　無量綱瞬時強化換熱因子Eh和瞬時阻力因子Ef定義為

　　[Eh=NuunNus] ， (7)

　　[Ef=funfs] ， (8)

　　式中：下標s表示穩流下的平均值;下標un表示脈動工況下瞬時值。

　　一個脈動周期內平均強化換熱因子Ehav和平均阻力因子Efav分別為

　　[Ehav=1T0TEhdt] ， (9)

　　[Efav=1T0TEfdt]。 (10)

　　綜合強化換熱因子η定義為

　　[η=EhavEfav13]。 (11)

　　無量綱量時間τ定義為

　　[τ=t/T]， (12)

　　式中：t為當前時間;T為脈動周期。故τ表示脈動周期數量。在后續分析中，待流動與傳熱達到周期穩定后，分析一個周期內的流動與換熱特性。

　　2 模型驗證

　　采用結構化網格，散熱器網格局部加密，散熱器網格劃分如圖3所示。不同網格數時發熱元件的平均溫度Tav如圖4所示?？梢钥闯?，當網格數在大約6.1×105時，得到網格獨立性解。

　　為了驗證模型的正確性，按本文的模擬方法對文獻[8]中的分段式平直翅片的實驗結果進行比較。模擬的模型尺寸和邊界條件與文獻[8]一致，即散熱器肋長70 mm，肋寬62.8 mm，肋高30.4 mm，肋厚1 mm，肋間距2.04 mm，基板厚4 mm，流道數19個，散熱器肋長分為相等的4段，縫寬2.5 mm，功率為30 W。模擬的實驗得到的表面傳熱系數h，如圖5所示。可以看出，兩者的誤差小于5%，證明模型可靠。

　　3 結果與討論

　　主要分析脈動振幅A和脈動頻率f對分段式平直翅片散熱器散熱性能的影響。研究過程中，脈動速度的平均速度取固定值5 m/s。脈動振幅的取值包括1 m/s、2 m/s、3 m/s和4 m/s等4種情況;脈動頻率的取值包括1 Hz，2 Hz，2.5 Hz，3.2 Hz，4 Hz和5 Hz等6種情況。分析脈動振幅的影響時，脈動頻率取1 Hz，分析脈動頻率的影響時，脈動振幅取4 m/s。

　　首先按照穩態過程模擬，待迭代收斂后轉為非穩態模擬。模擬結果發現，大約經過8個周期后，脈動流散熱達到周期性穩定。在后續分析中，對第9個周期內的流動與換熱特性進行分析。

　　3.1 脈動振幅對散熱器性能的影響

　　圖6所示為1個周期內，通道出口空氣平均溫度隨時間的變化?？梢钥闯觯骄鶞囟冉瞥收液瘮底兓?，變化方向與速度相反，即速度增加則出口溫度降低，反之亦然。前半周期出口溫度變化很小，后半周期變化較大。隨著脈動振幅的增大，出口溫度波動越大。

　　圖7～圖9分別所示為1個周期內，脈動振幅對換熱性能、阻力性能和綜合換熱性能的影響?？梢钥闯?，瞬時強化換熱因子Eh呈正弦函數變化，且脈動振幅A越大，Eh的振幅也越大。平均強化換熱因子Ehav大于1，表明與均勻流相比，脈動速度能增強對流傳熱，且脈動振幅越大，強化換熱效果越好，但隨著振幅增加，Ehav增幅下降;阻力變化與出口溫度變化相似，但隨著振幅的增加，Efav增幅提高;脈動流作用下，綜合換熱因子η>1，且隨著脈動振幅的增大，η先增大后減小，在振幅A=3 m/s時達最大值。

　　3.2 脈動頻率對散熱性能的影響

　　圖10所示為一個脈動周期內，不同脈動頻率時通道出口空氣平均溫度隨時間的變化?？梢钥闯觯S著脈動頻率的增加，出口平均溫度的波動最大值逐漸減小。這是由溫度變化的滯后現象造成的。

　　圖11～圖13分別所示為一個周期內，脈動頻率對換熱性能、阻力性能和綜合換熱性能的影響?？梢钥闯?，隨著脈動頻率的增加，瞬時強化換熱因子Ehav逐漸減小，但變化幅度不大;阻力隨脈動頻率的變化較明顯，脈動頻率越大，阻力因子的波動越劇烈。隨著脈動頻率增大，平均阻力因子Efav逐漸減小，當頻率大于4 Hz時，平均阻力因子的減小幅度明顯下降;隨著脈動頻率的增大，綜合換熱因子η先增大后減小，頻率為4 Hz時η最大。

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