自然对流与强制对流及计算实例.doc

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1、自然对流与强制对流及计算实例热设计是电子设备开发中必不可少的环节。本连载从热设计的基础——传热着手，介绍基本的热设计方法。前面介绍的热传导具有消除个体内温差的效果。上篇绍的热对流，则具有降低平均温度的效果。下面就通过具体的计算来分别说明自然对流与强制对流的情况。首先，自然对流的传热系数可以表述为公式（2）。热流量=自然对流传热系数×物体表面积×（表面温度-流体温度）…（2）很多文献中都记载了计算传热系数的公式，可以把流体的特性值带入公式中进行计算，可以适用于所有流体。但每次计算的时候，都必须代入五个特性值。因此，公式（3）事先代入了空气的特性值，简化了公式。自然对流

2、传热系数h=2.51C（⊿T/L）0.25（W/m2K）…（3）2.51是代入空气的特性值后求得的系数。如果是向水中散热，2.51需要换成水的特性值。公式（3）出现了C、L、⊿T三个参数。C和L从表1中选择。例如，发热板竖立和横躺时，周围空气的流动各不相同。对流传热系数也会随之改变，系数C就负责吸收这一差异。代表长度L与C是成对定义的。计算代表长度的公式因物体形状而异，因此，在计算的时候，需要从表1中选择相似的形状。需要注意的是，表示大小的L位于分母。这就表示物体越小，对流传热系数越大。⊿T是指公式（2）中的（表面温度-流体温度）。温差变大后，传热系数也会变大。物体

3、与空气之间的温差越大，紧邻物体那部分空气的升温越大。因此，风速加快后，传热系数也会变大。公式（3）叫做“半理论半实验公式”。第二篇中介绍的热传导公式能够通过求解微分方程的方式求出，但自然对流与气流有关，没有完全适用的理论公式。能建立理论公式的，只有产生的气流较简单的平板垂直放置的情况。因为在这种情况下，理论上的温度边界线的厚度可以计算出来。但是，如果发热板水平放置，气流就会变得复杂，计算的难度也会增加。这种情况下，就要根据原始的理论公式，通过实验求出系数。也就是说，在公式（3）中，理论计算得出的数值0.25可以直接套用，C的值则要通过实验求出。自然对流传热系数无法大

4、幅改变 图4：自然对流传热系数无法大幅改变物体沿流动方向的尺寸越小，单位面积的散热量越大。自然对流的传热系数随斜率和面的曲率变化，但变化的幅度不大。而强制空冷可以通过提高风速和湍流化，大幅改变传热系数。形状和配置对于自然对流的传热系数会产生多大的影响（图4）？举例来说，平面的传热系数h等于2.51×0.56×（（Ts-Ta）/H）0.25，而圆筒面的传热系数h等于2.51×0.55×（（Ts-T

5、表面的传热能力基本不变。发生倾斜后，下表面只受到沿倾斜面的向量成分的浮力。也就是说，下表面的浮力变弱。假设垂直时的传热系数为hv，倾斜时的传热系数为hθ，物体沿垂直方向倾斜角度θ，此时，下表面的传热系数大致为：hθ=hv·（cosθ）0.25…（4）（θ在0～60度左右的范围内时公式成立）如果倾斜45度，传热系数将缩小8％左右。由此可知，即使倾斜发热板，传热系数也没有太大变化。但一旦接近水平，传热系数就会急剧降低。通过上面的介绍，大家应该已经明白，提高自然对流传热系数其实难度颇大。但物体越小，对流传热系数越大。比方说，我们可以采用把散热器翅片分割成几个部分的方法。在

6、翅片截断的地方，热边界层将重置，起到阻止边界层变厚的作用，借此可以提高对流传热系数。但这样做会减少翅片的表面积，总的散热能力依然变化不大。强制对流传热系数的简易计算公式接下来看看强制对流的传热系数。安装风扇的强制对流的公式如下。热流量=强制对流传热系数×物体表面积×（表面温度-流体温度）…（5）强制对流传热系数的计算也有很多种公式（图5）。图5：强制对流热传导的简易计算公式强制对流时，计算热流量使用与强制对流对应的传热系数。根据流体的流动是在层流区域还是在湍流区域，计算使用的传热系数均不同。强制对流时，一旦提高风速，状态也会在途中随之改变。比方说，即便是在没有风的房

7、间里，香烟的烟雾也是一开始径直向上，在途中四处飘散。径直向上的地方是层流，飘散的地方是湍流。在层流区，香烟烟雾中颗粒物是单向流动。而在湍流区，颗粒物会到处乱飞，随着时间的推移，烟雾的形状将发生改变。湍流是非定常流，流向会随时间改变。印刷电路板周边的空气也一样，最初为层流，中途转变为湍流。从散热的角度来看，湍流更有利于散热。因为在湍流中，热空气与冷空气将相互混合，冷空气会得到靠近壁面的机会，更加容易传热。也就是说，湍流化能够降低温度。尤其是对于低流速和水冷式，湍流化十分有效。但湍流化也会导致流体阻力增大，这回增加风扇和水泵的负荷。强制形成湍流化的起始点时，可以采用