纵向涡发生器应用于热管翅片散热器传热与流动特性研究

摘要

热管翅片散热器作为管翅式换热器众多形式的一种，以其良好的传热性能广泛应用于CPU等电子设备的散热。气侧热阻是散热器总热阻的主要组成部分，如何增强气侧的换热以充分发挥热管的良好传热性能成为一个重要课题。纵向涡发生器作为一种通过改变二次流分布来强化换热的无源强化传热技术，能以较小的压差损失获得较好的强化传热效果。本文对加装矩形小翼纵向涡发生器的热管翅片散热器流动和传热特性进行数值计算，并应用PIV激光粒子成像测速方法研究了圆柱下游布置矩形小翼纵向涡发生器的流场分布和流动形态。
　　 通过数值模拟讨论热管横向间距、翅片长度、管子纵向偏移量等管翅相对位置因素对散热器流动和传热特性的影响。模拟结果表明：适当的横向管间距是保证翅片散热量的重要条件；减小翅片长度，有利于提高单位翅片面积散热量；向下游适当偏移换热管，可在一定程度上提高整体传热系数，而且小长度翅片相对提高程度越大。
　　 通过数值模拟研究加装矩形小翼纵向涡发生器对散热器流动换热特性的影响规律，讨论了纵向涡发生器的迎流攻角、在翅片上的位置、弦长、渐扩渐缩布置等参数变化对其性能的影响。数值模拟的结果表明：在模拟流速范围内，加装矩形小翼纵向涡发生器使热管翅片散热器的整体传热因子提高15％～19％，相应阻力因子增加30％～42％；分析加装纵向涡发生器的流道截面等速线图、速度矢量图和等温图，发现纵向涡改变了流场分布，促进了壁面附近与主流区流体的混合、减薄了传热壁面附近的热边界层、增加了温度梯度，纵向涡发生器布于换热管下游，起到抑制、削弱其尾流传热恶化区的作用；在模拟纵向涡发生器迎流攻角范围内，攻角为30°时纵向涡发生器的综合传热流动性能较佳；纵向涡发生器后置强化传热效果较好，前置较差，侧置则介于前两者之间；传热因子j和阻力因子f均随纵向涡发生器弦长的增加而呈均匀的增加；迎流攻角30°后置，纵向涡发生器采用渐扩布置比采用渐缩布置强化传热效果好很多。
　　 应用相似原理安排模型实验，用水流模拟空气的流动。在搭建的有机玻璃水槽实验台上，通过PIV激光粒子成像方法，研究了布置攻角为30°、60°的矩形小翼纵向涡发生器以及不布置纵向涡发生器的绕流圆柱的流场分布和流动形态。实验结果表明：圆柱下游加装矩形小翼不但形成一对旋向相反、左右对称的沿主流方向向下游发展的纵向旋涡对，而且有抑制或消除圆柱下游回流区的作用；随着纵向涡发生器迎流攻角的增大，纵向涡轴线与主流方向逐渐成一定夹角，同时伴随着纵向涡持续强度的下降。PIV实验测得的流场分布情况与数值模拟结果吻合，说明了数值模拟的有效性。