小型电子设备自然对流散热的研究现状分析

　　吉林建筑大学学报小型电子设备自然对流散热的研究现状分析王春青王迪战乃岩（吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春130118）热问题的发展现状，并对其散热特性进行分析，得出各自优劣所在，并加以借鉴。自然对流换热具有能耗低噪声小等优点，应用在小型电子设备散热中，可提高设备的工作效率，延长使用寿命，节约能源，为高科技产品的研发做出不断的完善。

　　小型电子设备作为当今世界的高科技产品，其发展势头迅猛。等离子电视、平板电脑、移动电话、数字机顶盒、便携式CD等电子设备丰富人们生活。这些电子设备不断向高密度封装与多功能化方向发展，伴同的散热问题越来越棘手m.如果电子元件散热处理不佳，不仅无法发挥其性能，严重时甚至还会出现设备内部的热量暴增，导致元件发生故障，缩短设备使用寿命，甚至损坏。据统计，55的电子设备失效是温度过高引起的0.而自然对流换热以其低能耗低噪音的优点，成为探究电子设备散热并节约能源的主要研究问题之且研究换热规律及特性，能更好地指导工作人员制作电子元器件，提高产品可靠性。学者们多将小型电子设备散热的物理模型简化为腔内具有内热源的换热问题，本文将从多方面整理此类问题的研究现状，分析散热特性。

　　1Rayleigh数对换热的影响在自然对流换热中，Rayleigh数作为传热系数关联的无量纲参数，对换热的影响是不可忽视的，众多学基金项目：国家自然科学基金项目（51206061）；吉林省科技发展计划项目（20130101073C）。：王春青（1973~），男，吉林省长春市人，教授，硕士。

　　吉林建筑大学学报者对其影响规律进行了探究。云和明等3针对封闭方腔自然对流传热问题建立了数学模型，方腔右边界为恒定高温，左边界为恒定低温，上下边界为绝热，通过模拟不同Rayleigh数下流场、温度场、温度梯度场，并分析其模拟结果，得出随着Rayleigh数的增大，流体速度场和温度场的协同效果越好，越有利于强化传热。阳祥等4建立了高宽比为4，水平壁面为绝热，两竖直壁面温度恒定保持在左高温右低温的模型，探究了自然对流从层流到湍流的流动规律和传热特性，得出当Rayleigh数的量级在107 ~108之间时，自然对流换热具有明显的湍流换热特征。战乃岩等S利用烟可视化方法和激光全息照相技术对底部加热的矩形腔空气自然对流进行实验研究，得出随着Ra数的增加，流动开始表现不稳定，等温线也发生扭曲，当Ra数达到12 500时，出现涡卷消融的现象。Trias等63采用直接数值模拟方法研究了二维封闭腔和三维封闭腔的自然对流，结果表明二维和三维计算在高瑞利数Ra下模拟封闭腔内自然对流和换热的一般特征时基本没有差别，二维计算更为经济实用，三维计算具有更丰富的信息。

　　以上均是无内热源的封闭方腔中Rayleigh数对自然对流换热的影响，部分学者将研究扩展到含有内热源的方腔自然对流换热问题。张敏等67针对二维封闭方腔对流换热问题建立了底部中心位置放置单热源的物理模型，得出当热源尺寸不变时，热源表面Nusselt数随Rayleigh数增大而增大，且在Rayleigh数小于104时，Nusselt数变化幅度较小，当Rayleigh数大于104时，Nusselt数变化幅度较明显，可以看出方腔内传热从以导热为主逐步过渡到以对流换热为主，方腔内流动在逐渐加剧。徐梓斌等68针对此类问题建立了对应的矩形腔内热源布置在腔体底部正中的物理模型，模拟结果表明，无论边界条件为顶板保持低温，其余部分绝热，还是竖直侧壁保持低温，其余部分保持绝热，热源表面Nusselt数都随着Rayleigh数的增加有明显的增势，当Rayleigh数大于104时逐渐表现出以对流换热为主的换热特征。苏长智等69对于矩形腔内双热源的对流换热问题建立了两种不同边界条件的物理模型，从模拟结果可以看出，热源表面Nusselt数随着Rayleigh数的增加而明显的增加，在Rayleigh数大于104时开始慢慢表现出以对流换热为主的换热特征。上述学者的研究，反应了腔内有单热源和双热源情况下的对流换热受Rayleigh数影响的规律。

　　2方腔结构尺寸对换热的影响封闭腔内自然对流换热中，热源的尺寸，几何形状，以及方腔几何尺寸都是影响换热的主要因素。张敏等67通过模拟二维封闭方腔底部中心位置放置单热源的对流换热问题得出，热源表面Nusselt数随热源尺寸的增大而增大，且Rayleigh数越高这种效果越明显，但随着热源尺寸的增加，热源表面Nusselt数的增加幅度会不断减小，当热源高度与腔高度比大于0.3时，热源高度的增加对热源表面Nusselt数的影响并不明显。徐梓斌等68针对此类问题建立了对应的物理模型进行模拟计算，结果表明，热源表面Nusselt数随热源尺寸的增大而明显增长，说明热源尺寸使传热效果增加，尤其在高Rayleigh数时这种效果越明显。张敏等10针对热源自然对流换热问题建立了物理模型，通过模拟计算得出梯形腔中当内热源长宽比s增大时，热源表面Nusselt数会随之有明显增势。Zekeriya等研究了封闭方腔内中心具有一竖直发热板的自然对流问题。Cal-cagniB等M和SharifMAR等M分别对侧面冷却的底部热源封闭方腔的自然对流问题进行了研究，通过改变热源尺寸的大小，得到了热源尺寸对自然对流传热的影响规律。Sezai M等研究了顶面冷却底部加热的自然对流换热问题，分析了空腔尺寸对其自然对流的影响。

　　3热源位置对换热的影响部分学者考虑到热源的布置位置和方腔放置的角度对自然对流换热的影响程度。苏长智等69针对矩形腔内底面布置双热源的间距对换热的影响问题，建立了两种不同边界条件的物理模型，腔1顶壁面为低温面，其它部分为绝热面，腔2左右侧壁面为低温面，其余保持绝热。通过模拟得出结论，随热源间距的增加，矩形腔1中热源表面Nu数先增大后减小，而矩形腔2中热源表面Nu数随着热源间距的增大一直呈现递增状态。蒋宏利等M针对矩形空腔侧壁上具有3个加热功率不同的凸起分散热源的自然对流换热进行实验，得出在总加热功率不变的前提下，分散热源表面换热系数仅和自身加热功率、腔体侧壁上位置有关，和侧壁上其它热源的功率分配近乎无关。Man等M对矩形内热源位于空腔中心位置时的自然对流换热问题进行了研究，华泽嘉等E7利用FLUENT软件针对矩形腔侧壁上具有离散热源的自然对流换热问题进行数值模拟，模拟结果表明，当Rayleigh数较小时，导热在换热中占主要地位，随着Rayleigh数的增加，逐渐变为以对流换热为主导地位，左右壁面的换热随着Rayleigh数的增加而逐渐加强。Tasaka分布的方腔自然对流换热问题，得出不同的对流形式取决于Rayleigh数和热源长度。Deng等研究了顶面冷却底部加热的自然对流换热问题，分析了离散热源之间的相互作用和其对对流换热的影响。

　　4边界条件对换热的影响徐梓斌等08针对边界条件的影响问题建立了两种边界条件不同的封闭腔内单热源物理模型进行模拟计算，矩形腔1的边界条件为水平顶板保持恒定低温，竖直方向左右侧壁面和底面除热源位置均保持绝热，矩形腔2的边界条件设定为竖直方向左右侧壁面保持恒定低温，其余均为恒定绝热，从模拟结果中的热源表面平均Nusselt数曲线图中可看出，矩形腔2中热源平均传热率整体大于矩形腔1的热源平均传热率，说明第二种边界条件的换热效果较好。苏长智等9针对底面布置双热源的矩形腔边界条件对换热的影响问题建立了如上述两种不同边界条件的物理模型，模拟结果得出，边界条件为竖直方向左右侧壁面保持恒定低温的腔内热源平均Nusselt数整体大于顶板低温的腔内热源平均Nusselt数，此外，热源表面Nusselt数随着Ray-leigh数的增加而明显的增加的结论不受上述两种边界条件的影响。以上足可以说明，无论单热源还是双热源情况下，边界条件对换热的影响都是样的，即设定为四周低温上下绝热的换热效果更好，且不同边界条件不会影响到瑞利数对换热的影响规律。

　　5复杂腔内自然对流换热情况随着封闭腔体中自然对流换热问题受到越来越多的关注和研究，实际工程中也会用到较为复杂的腔内换热情况。WangZhi-yun等020针对方腔具有一定倾斜角度的换热问题进行研究，结果表明，当Rayleigh数小于106时，倾角对平均Nusselt数的影响较小；当Rayleigh数大于106时，倾角为45°的工况下，平均Nusselt数取得大值。Dong等021研究了方腔中圆形内热源对自然对流换热的影响规律。Manab等022对方腔中心放置具有导热性的正方形物体时，倾斜角度对腔内自然对流换热的影响进行了研究。Zhao等023探究了封闭方腔内外同时存在热源时的换热问题。张敏等010针对梯形腔内单热源自然对流换热问题建立了物理模型，通过模拟计算得出，随Rayleigh数的增大，热源表面Nusselt数会明显增大；在Rayleigh=103，e矣3条件下，热源表面Nusselt数随旋转角度0变化而无明显变化；当e4，热源表面Nusselt数在0 =0.时会出现极大值；在Rayleigh=104，e矣3条件下，热源表面Nusselt数随0的增大而增大，且在0=90°时出现极大值；当e 4，热源表面Nusselt数在0=30°工况下取得极小值，在0 =90.工况下取得极大值，当Rayleigh=106时，热源表面Nusselt数随0的增大而增大，且在0 =90.工况下取得极大值。Nataraan等024针对底部具有均匀热源和底部具有非均匀热源的梯形空腔进行了对比研究，结果显示，底部热源温度呈正弦分布的梯形空腔在底面中心位置获得较大传热系数，但底面平均Nusselt数却小于均匀底部热源面。潘继红等025对梯形腔内自然对流问题进行了数值模拟，讨论了Rayleigh数和梯形倾角对计算的影响，结果表明，随Rayleigh数的增加，壁面处等温线密集程度增加，温度梯度增大，Nusselt数增加，并且随倾角的增加，其几何形状则越来越适合流动的发展。以上学者均研究了梯形腔中影响自然对流换热的多种因素，以梯形腔为代表，相关结论也可引申到其他异形腔中，方便进行更多研究。

　　6结论小型电子设备散热的影响因素众多，针对Rayleigh数对换热的影响，学者们研究了封闭腔内有无内热源情况下，随着Rayleigh数的改变，自然对流换热特征的变化；针对热源尺寸和位置对换热的影响，研究了热源吉林建筑大学学报布置在底面和竖直方向情况下，通过改变热源尺寸和间距探究自然对流换热规律；针对边界条件问题，模拟了封闭腔内单热源和双热源情况下，改变边界条件对自然对流换热的影响；此外，还有学者研究了梯形腔内Rayleigh数，梯形倾角等因素对换热的影响规律。上述研究表明，针对腔内自然对流换热问题学者们已经进行了多方面探究，其实际应用可更好地保证电子设备的可靠性，为小型电子设备散热的节能研究和发展做出贡献。