张立，凌晨旸（浙江经贸职业技术学院应用工程系，浙江 杭州 310018）



小型轴流散热风扇出口换热特性研究

张立，凌晨旸
（浙江经贸职业技术学院应用工程系，浙江 杭州 310018）

摘要：以某品牌服务器内小型轴流散热风扇为研究对象，利用可压缩气体控制方程组定性分析了风扇内部不同时刻的温度场变化趋势，并引入风扇对流换热系数，定量分析了风扇内部流场的对流换热能力。结果表明，涡流的剧烈运动提升了风扇的对流换热能力；受风扇强制对流驱动的输入热源，优先沿端壁传递热量到远场；在风扇出口轮毂附近存在大量的低温区，该低温区的平均温度比入口热源温度要低3℃左右。

关键词：散热风扇；可压缩气体；温度场；换热特性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U463Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)03-05-87-03

引言

近些年来,相继出现了许多不同的散热冷却技术,如空气强迫对流换热、液体冷却换热和相变循环系统等。空气冷却具有方便、设备简单、高可靠度及低成本等特性，所以应用相当广泛。其中微小型轴流风扇在局部冷却及快速散热等方面具有绝对优势，配合散热器对高功率电子组件进行冷却，是解决组件散热问题的有效途径。电子组件的散热过程既存在热对流过程也存在热传导过程，其中热源通过散热器传播热量的过程以热传导为主，通过风扇强制换热过程以热对流为主。不少学者围绕着散热器的导热特性开展了一些研究，陆正裕等[1]开展了CPU散热器换热特性的实验研究，结果表明换热系数主要与来流速度有关，而与加热功率关系不大。王宏伟等[2]开展了CPU散热片温度场模拟分析以及材料和尺寸选择研究，结果表明采用有限元热分析技术模拟CPU散热片换热过程可行。伊丽娜等[3]运用场协同理论开展了新型CPU散热器内空气流动和换热特性数值研究，结果表明新型打断翻折型翅片散热器优于矩形散热器。袁志燕等[4]采用Ansys软件数值模拟了电脑散热片的换热过程，结果发现散热片的齿厚和齿间距对其散热效果影响最大。上述研究主要围绕着散热器的热传导过程进行展开，有关风扇强制对流的换热特性目前很少有文献提及，本文采用可压缩气体控制方程组数值模拟了风扇强制对流的温度场变化过程，分析了风扇热对流的换热特性，为小型轴流风扇的换热特性研究和优化设计提供一定的参考价值。

1、数值模拟

1.1物理模型

本文研究的对象是某品牌服务器内散热用途的小型轴流风扇，风扇产品型号为YM1201，为12V直流供电，风扇额定转速均为3000r/m，叶轮外径为84mm，叶轮厚度为24mm，叶片数为7，叶顶间隙为1.5mm，轮毂比为0.39。其外观如图1所示。

图1　风扇外观图

1.2计算区域及计算方法

为了保证计算结果的可信度，计算域的选择一般应该以风扇所处环境的几何边界和物理边界为依据。

本文所研究的风扇模型在服务器中的位置特点是：入口附近区域比较狭窄，出口附近区域相对宽阔。考虑到风扇内部流动的延续性，可将风扇进、出口延伸段与风扇模型都纳入到计算域中，因此风扇模型的计算域可划分为4个区域：风扇旋转区、叶顶间隙区、进口延伸区以及出口延伸区。各区域计算域的具体尺寸如图2所示。

图2　风扇计算域

本文采用可压缩气体控制方程组模拟风扇的换热过程，具体计算方法分非定常计算和温度场计算两步进行开展：（1）在流场的非定常计算中，采用了大涡模拟湍流模型，该模型利用过滤方法把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，大尺度湍流通过直接求解N-S方程，得到大涡漩的流动细节,小尺度湍流利用亚格子模型将其影响施加到大尺度湍流中。（2）温度场的计算是在流场非定常计算的基础上通过引入能量方程来进一步完成的。能量方程的表达式如式（1）所示：

在温度场计算时，进口和出口还需要给定温度，一般取风扇入口及出口附近的稳态平均实测温度值，叶轮以及机匣等壁面设定为完全绝热状态。气流的密度不再设定为常数，而是采用理想状态方程进行求解，如式（3）所示。

2、计算结果及分析

2.1内流的温度叠加效益

空气在风扇的内部流动过程中，伴随着新热量的产生，新产生的内部热量对来自电子产品热源的影响有待明确。图3显示了额定流量工况下风扇内部温度场的定常分布情况。从图中可知，整个风扇内部温度场的温差最大不超过0.2℃。从风扇入口延伸段到出口延伸段，温度分布总体上呈现逐渐上升的趋势，其中温度相对高的区域位于风扇叶顶间隙处，该区域恰好是叶顶涡流活动的区域。在风扇叶片的中下部附近，存在一块低温区，该区域是气体主流通过的区域，主流能够将热量带走，从而使该区域的温度降低。

图3　额定流量工况下的风扇内部温度场分布 [单位：K ]

图4　额定流量工况下的风扇内部能量场分布 [单位：J ]

图4显示了该工况下的风扇内部能量场分布情况。能量尺度取负表示气体对外界做功和放热。从图中可知，风扇内部流场的低能区主要位于风扇叶顶间隙处，该处的温度最高，说明该区域的能量损失主要以热量的形式释放。风扇进口的能量相对较高，出口的能量相对较低，对比图3中风扇在相同位置的进口温度相对较低，出口温度相对较高的结论，可以判定：均匀入流区域以及主流区域，气体释放的热量少，从而使该区域的温度相对较低，能量损失较少。在涡流等紊流区域，气体消耗的能量较多，主要以热量的形式进行释放，该区域的温度普遍较高。

2.2不同时刻热源的变化规律

图5显示热源在不同时刻由于风扇强制换热导致的温度场变化趋势。从图中可以发现，来自风扇入口附近的大量热量以对流的方式被风扇传递到出口附近，并且首先沿端壁传递热量到远场。在风扇出口轮毂附近存在大量的低温区，该低温区的平均温度比入口热源的温度要低3℃左右，该低温区的空气在风扇内部涡流的积极带动下，以几乎垂直于叶根的方向逐渐远离风扇轮毂，并且逐渐发展壮大。

图5　不同时刻的风扇强制对流换热温度场 [单位：K ]

2.3风扇换热系数

上述温度场变化特征虽然很直观，但无法定量的反映风扇的对流换热能力。本文引入对流换热系数，其计算公式沿用牛顿冷却定律，表达式为：

式中，Q表示单位时间内的对流换热量，α表示对流换热系数，S表示对流面积，TW及TF分别表示风扇进出口附近的平均温度。α与对流换热过程中的空气流动起因、状态、物性以及换热表面形状有很大关系。为了更直观反映α与影响因素之间的关系，将式（4）用经验准数关联式来确定两者之间的关系，如式（5）所示。

图6显示了对流换热系数在不同轴向截面位置的分布情况，从图中可以发现，风扇的对流换热系数随着轴向距离的增加呈现逐渐增大的过程，其值从21.34到22.52之间变化。当轴向位置为35mm处时，对流换热系数出现了一个极大值21.83，与附近左右两个极小值的差值分别为0.49和0.1。通过对风扇内部流场分析，发现，轴向位置为35mm处恰好是涡流剧烈活动区域，这说明涡流的剧烈运动提升了风扇在该位置的对流换热能力。

图6　风扇对流换热系数随轴向位置的变化曲线

3、结论

通过分析电子产品热源在小型轴流风扇的热对流过程，得到如下结论：

（1）仅仅由于风扇内部涡流等二次流的运动导致风扇内部温度场的变化很小，最大温差不超过0.2℃，并且从风扇入口延伸段到出口延伸段，温度相对高的区域位于风扇叶顶间隙处；位于叶顶间隙区域的低能区随着时间的变化，主要影响区域变化不大。

（2）受风扇强制对流驱动的输入热源，优先沿端壁传递热量到远场；在风扇出口轮毂附近存在大量的低温区，该低温区的平均温度比入口热源的温度要低3℃左右，并且该低温区随着时间变化以几乎垂直于叶根的方向逐渐远离风扇轮毂，并且逐渐发展壮大，低温区的平均温度与入口热源的温度差逐渐增大，最终融入到风扇远场的低温区。

参考文献

[1]陆正裕,熊建银,屈治国等.CPU散热器换热特性的实验研究[J].工程热物理学报,2004,25(5):862-864.

[2]王宏伟,葛增杰,顾元宪等.CPU散热片温度场模拟分析及其材料和尺寸选择的研究[J].计算力学学报,2003,20（6）:725-728.

[3]伊丽娜,郑文龙,王博杰,王文.新型CPU散热器内空气流动与换热特性的数值研究[J].制冷技术,2015，35(1):36-39.

[4]袁志燕,钟建华.电脑散热片换热过程数值模拟分析[J].上海有色金属,2015,36(1):29-33.

Study on outlet heat transfer characteristics of small axial cooling fan

Zhang Li, Ling Chengyang
（Department of Application & Engineering, Zhejiang Economic & Trade Polytechnical, Zhejiang Hangzhou 310018）

Abstract:The small axial flow fans used in a certain server for heat dissipating are selected as the research object, and the compressible gas control equations are used to analyze qualitatively the trends of temperature field inside fans at different time. The convection heat transfer coefficient of the fans is introduced to analyze quantitatively the convective heat transfer capacity of fan internal flow field. The results show that vigorous exercise vortex enhance the convective heat transfer capacity of the fan. The input heat source driven by forced convection from fans spreads heat to the far field priority along the end wall. There are a lot of low-temperature region near the outlet of the fan hub, and the average temperature of the above low temperature region is lower about 3 ℃ than that of the inlet temperature.

Keywords:fan for heat dissipating; the compressible gas; temperature field; heat transfer capacity

中图分类号：U463

文献标识码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-87-03

作者简介：张立，就职于浙江经贸职业技术学院。汽车专业专任教师，主要从事小型风机的散热及降噪研究。基金项目：本项目受省教育厅2015年一般科研项目（编号Y201534443）、2015年度省大学生科技创新活动（新苗计划）项目（编号2015R443005）等资助。