自然对流与强制对流及计算实例

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X物体表面积X（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幅改变 C 1

C L

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丢1自然対漁热传导的计笄公式便审的参数示暫4T: 高度 水平 单板 D-S2

〔热直朝上） 球体 061 半轻 班平故■的

热直朝下） 垂萱放■吧 W1 9

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＞罕面和圆箇市的传粹系数的藍昇

传

=J 51K0.56X ( Tf 」H ' 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 X 0.56 X(( Ts-Ta ) /H ) 0.25,

而圆筒面的传热系数h 等于

2.51 X 0.55 X(( Ts-Tva ) /H ) 0.25。

平面为0.56，圆筒面为0.55，差别只有2%左右，由此可见，平面与圆筒面的 传热系数差别不大。

这就意味着当发热板倾斜时，下表面的传热能力会越来越差，而上表面的传热能 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h 9，物体沿垂直方向倾斜角 度9，此时，下表面的传热系数大致为：

h 9 =hv •( cos 9 ) 0.25, ( 4)

(9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平閒 餐热系数n

-2.51x0.55x ft L-H /Hf -

-2%左右

■平面陨斜造成册憑系数附垦昇

的

0 8

0.7

0S

2

0 3

C.2

QJ 倾斜平板的下表面阳借础系散 (占卜嘉面■孟坦局\

照斜甬度(度；

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X物体表面积X（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）。

翩强购对济传财?缘/面积«（忑面温施涼体血）

长L(m)

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，可以采用在流体的通道中设置突起物（湍流促进器）的方式。在强制空冷的散热器中，可以看到这种设置突起的例子（注4）。

（注4）自然对流也存在湍流，但在电子产品的热设计中，可以认为基本不存在