自然对流与强制对流计算实例

1、自然对流与逼迫对流及计算实例热设计是电子设备开发中必不可以少的环节。本连载从热设计的基础传热着手，介绍基本的热设计方法。前面介绍的热传导拥有除掉个体内温差的收效。上篇绍的热对流，则具有降低平均温度的收效。下面就通详尽的算来分明自然流与制流的情况。第一，自然流的系数可以表述公式（2）。流量=自然流系数物体表面（表面温度-流体温度）（2）很多文件中都了算系数的公式，可以把流体的特点入公式中行算，可以适用于所有流体。但每次算的候，都必代入五个特点。所以，公式（3）早先代入了空气的特点，化了公式。自然流系数h=2.51C（T/L）（W/m2K）（3）是代入空气的特点后求得的系数。若是是向水中散，需要成

2、水的特点。公式（3）出了C、L、T三个参数。C和L从表1中。比方，板立和横躺，周空气的流各不相同。流系数也会随之改，系数C就吸取一差别。代表度L与C是成定的。算代表度的公式因物体形状而异，所以，在算的候，需要从表1中相似的形状。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。所以，风速加速后，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可以经过求解微分方程的方式求出，但自然对流与气流相关，没有完好适用的理论公

3、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，理论上的温度界线线的厚度可以计算出来。但是，若是发热板水平放置，气流就会变得复杂，计算的难度也会增加。这种情况下，就要依照原始的理论公式，经过实验求出系数。也就是说，在公式3）中，理论计算得出的数值可以直接套用，C的值则要经过实验求出。自然对流传热系数无法大幅改变?4：自然流系数无法大幅改物体沿流方向的尺寸越小，位面的散量越大。自然流的系数随斜率和面的曲率化，但化的幅度不大。而制空冷可以通提高速和湍流化，大幅改系数。形状和配置于自然流的系数会生多大的影响（4）？例来，平面的系数h等于（Ts-Ta）/H），而筒面的

4、系数h等于（Ts-Ta）/H）。平面，筒面，差只有2左右，由此可，平面与筒面的系数差不大。就意味着当板斜，下表面的能力会越来越差，而上表面的能力基本不。生斜后，下表面只碰到沿斜面的向量成分的浮力。也就是，下表面的浮力弱。假垂直的系数hv，斜的系数h，物体沿垂直方向斜角度，此，下表面的系数大体：h=hv（cos）（4）（在060度左右的范内公式建立）若是斜45度，系数将小8左右。由此可知，即便斜板，系数也没有太大化。但一旦凑近水平，系数就会急降低。通上面的介，大家已理解，提高自然流系数其度大。但物体越小，流系数越大。比方，我可以采用把翅片切割成几个部分的方法。在翅片截断的地方，界将重置，起到阻拦

5、界厚的作用，借此可以提高流系数。但做会减少翅片的表面，的散能力仍旧化不大。制流系数的易算公式接下来看看制流的系数。安装的制流的公式以下。流量=制流系数物体表面（表面温度-流体温度）（5）制流系数的算也有很多种公式（5）。5：制流的易算公式制流，算流量使用与制流的系数。依照流体的流是在流地域是在湍流地域，算使用的系数均不相同。制流，一旦提高速，状也会在途中随之改。比方，即即是在没有的房里，香烟的烟也是一开始径直向上，在途中四散。径直向上的地方是流，散的地方是湍流。在流区，香烟烟中粒物是向流。而在湍流区，粒物会到乱，随着的推移，烟的形状将生改。湍流是非定常流，流向会随改。印刷路板周的空气也一，最初

6、流，中途湍流。从散的角度来看，湍流更有利于散。因在湍流中，空气与冷空气将相互混杂，冷空气会获取凑近壁面的机遇，更加简单。也就是，湍流化能降低温度。特别是于低流速和水冷式，湍流化十分有效。但湍流化也会致流体阻力增大，回增加扇和水的荷。制形成湍流化的初步点，可以采用在流体的通道中置兴起物（湍流促器）的方式。在制空冷的散器中，可以看到种置兴起的例子（注4）。（注4）自然流也存在湍流，但在子品的中，可以基本不存在自然湍流化。但温度达到500600的高温后，因浮力增，所以也会出湍流化。截止流的力与促流的力，二者的平衡决定着湍流的初步点。截止流的力是粘性力，在壁面周边的作用，而促流的力是性力或浮力。粘性力

7、，流碰到截止。因气流之会相互束。比方，在和凑近壁面的地方，粘性力。同，翅片与翅片之的距离越窄，粘性力越，也就很生湍流化。而性力由速度生，只要提高速度，性力就会随之增大。仍以香烟的烟例，在烟开始流，源上部的空气慢上升，生流的地域也十分狭窄。但随着流的行，周的静止流体也被，流的地域不断大。所以，粘性力会降低。而在浮力的加速作用下，空气的流速不断加速。所以生了湍流化。依照流和湍流的不相同，制流的系数公式存在相当大的差。第一是流的公式。流平均系数hm=（V/L）（6）其中加入了空气的特点，与自然流公式（3）中的含相同。湍流相关公式是性公式，系数和指数都有化。湍流平均系数hm=6（V/）（7）要想行判断

8、的，不如把两个系数都算出来，系数大的一方。下面，我使用上面介的知，定量研究流的散能力。【1】平板的放置方式与散能力假有一200mm、100mm（忽略厚度），温度保持在40的平板（6），平板的温度平均，而且没有射，以下放置方式的散能力有多大差？图6：【练习1】平板的放置方式与散热能力思虑纵长200mm横宽100mm（忽略厚度）的平板的升温保持在40K（）时，图中3种模式的散热能力。假设平板的温度平均，且没有热辐射。a）垂直放置（以100mm的短边为高）b）垂直放置（以200mm的长边为高）c）水平放置需要求的数值是热流量，相当于散热量，这就必定第一求出传热系数，需要使用公式（3）。a）和（b）是

9、垂直放置，C值使用平板垂直放置时的数值。因为升温固定在40K（），所以T为40（注5）。至此，所有数值已经齐备，可以计算出传热系数。（注5）温度必定要多次计算，比较麻烦。若是不知道温度，就求不出传热系数，所以，最初先假设温度为30，计算出h。把结果代入公式进行计算，获取的温度一般不等于30，此时要使用得出的数值重新计算。经过屡次计算，逐渐逼近正确数值。a）以100mm的短边为高的垂直平板传热系数h=（40/）=m2K表面积S=2=散热量W=40=（b）以200mm的长边为高的垂直平板传热系数h=（40/）=m2K表面积S=2=散热量W=40=由上述计算可知，（b）的散热量比（a）低15左右。但

10、计算的条件是平板的温度完好平均，也就是导热系数无量大，若是是印刷电路板，散热量上的差别还会更大。若是导热能力差，平板上侧与下侧之间将会出现温差。纵向放置的话，上侧与下侧的温差会更大，最高温度将出现相当大的差别。水平放置时，平板上侧与下侧的传热系数不相同，计算比较复杂。上侧的C值为，下侧为，恰巧是上侧的一半。所以，下侧的散热量也是上侧的一半。这种情况需要分别计算上侧和下侧的散热量，尔后相加。（c）水平放置平板代表长度L=（2）/（）=上表面对流传热系数h=（40/）=W/m2K上表面表面积S=上表面散热量W=40=下表面对流传热系数h=（40/）=W/m2K下表面表面积S=下表面散热量W=40=

11、总散热量W=这采用的是热计算中经常使用的计算每个面的发热量，尔后相加的方法。【练习2】大空间发生热对流，小空间发生热传导接下来看一下在200mm200mm20mm的平展机壳中安装180mm180mm1mm的电路板（发热功率5W）的情况（图7）。图7：【练习2】空间大为热对流，空间小为热传导思虑在尺寸为200mm200mm20mm的机壳内安装180mm180mm1mm的印刷电路板（发热功率为5W）时，图中3种情况下的散热能力。假设没有热辐射。大家可以将其看作是加热器。关于电路板的安装地址，下面哪一种是正确的？别的，这里假设热辐射可以忽略。a）电路板设置在上部（距离机壳顶面1mm）时温度最低b）电

12、路板设置在中部（距离机壳顶面）时温度最低c）电路板设置在下部（距离机壳顶面15mm）时温度最低这个题目中有一点要注意，那就是空间狭窄、空气无法流动时，发生的是热传导，空间够大时发生的是热对流。划分的界线值随状态和发热量而变，大体为几毫米。若是小于该界线值，空气将无法流动，大于该界线值空气就可以流动。定性地来说，只要距离足够，空气就能循环，从而带走热能，使部件释放的热传到机壳顶面并发散出去，由此起到降温的作用。上面提到，当距离很小时发生的是热传导。热传导的热阻等于空气层的厚度/（传热面积空气的导热系数），所以（a）的情况下，热阻（1mm）=（）=W；b）的情况下，热阻（）=（）=W，比（a）的热阻大很多。而在（c）的情况下，距离达到15mm，可以认为能充分产生对流。此时，对流的热阻增加到两个（电路板表面空气，空气机壳顶面）。依照传热系数为10W/m2K计算，电路板到空气的对流热阻=1/（电路板表面积自然对流传热系数（水平）空气到机壳的对流热阻=1/（机壳表面积自然对流传热系数（水平）热阻（15mm）=1/（10）1/（10）=W由此可知，（a）的情况下热阻最小、温度最低。估计（b）的温度最高，原因是基本没有发生流动。传热系数单靠手工计算很难获取正确结果，所以，笔者试着利用热流体剖析