热对流散热原理及相关公式

热对流散热原理及相关公式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。而本篇开始介绍的对流，则具有降低平均温度的效果。 加热器释放出的热能首先会通过热传导发散到空气中。具体来说，就是加热器表面的空气附着于固体表面，在空气的分子之间通过振动传播热量。远离壁面的分子渐渐获得自由运动的能力，使得温热的空气团发生移动。 这种现象中，热传导再加上具有热量的物质的移动，就被称作“对流”（图1）。也就是说，对流是一种复合现象（注1）。 图1：对流的原理对流的原理是，首先通过热传导从发热体获得热能（图中（1），然后，携带热能的流体发生移动（图中（2）。对流是热传导加上物质移动的复合热移动现象。（注1）艾萨克牛顿在推导冷却定律时提出了对流的概念。 在思考对流这种传热方式时，会用到“对流传热系数”。对流传热系数表示对流传热的难易程度，虽然听上去与“导热系数”很像，但二者却是完全不同的概念。物质的导热系数可以通过文献等资料查到，而传热系数是状态值，其数值因物质的状态而异，并不唯一。能够得到的，只有推导传热系数的公式，需要自己根据公式计算。 了解热边界层散热的能力 对流传热系数源于“热边界层”理论。例如，把发热板放置在空气中，热能将通过热传导传播到空气中，越靠近发热板，空气的温度越高，越远温度越低（图2）。空气受热后体积膨胀，密度降低，浮力增大。因此，空气会自下向上流动（注2）。因为下方不断有冷空气补充，所以下方的热空气会越来越少，热空气逐渐在上方囤积，使空气层不断变厚。而这种热空气层，就是热边界层（也叫温度边界层）。 图2：发热体周围出现的热边界层存在温差的固体与流体的边界存在“热边界层”。要想提高散热效果，可以缩小热边界层的厚度，或是扰乱热边界层。（注2）无重力状态下没有浮力，空气不会发生流动，只会形成温差。 热边界层虽然肉眼看不到，但利用热电偶检测温度，就能确定热边界层的存在。热边界层的内侧是温度变化的场所，而在其外侧，温度将趋于固定。在进行热流体解析模拟时，这一点要重点关注。用何种程度的网眼来表现边界层，决定着解析的精度。在热边界层的外侧，网眼即使很小，对于精度也没有太大影响。这是因为热边界层外侧流体的流速和温度的变化很小。 如果热边界层较厚，热空气进入冷环境的距离就会变长。也就是说，热边界层越厚，热能就越不容易释放。因此，对流传热系数与热边界层的厚度有关。这就意味着下方的热边界层薄，对流传热系数大；上方的热边界层厚，对流传热系数小。 也就是说，只要减小热边界层的厚度，或是扰乱热边界层（与冷空气混合），就能使物体变得容易冷却。 缩小热边界层厚度最简单的方法是缩短发热板的长度。发热板越长，上方的热边界层越厚，就越不容易散热。因此，如果把细长的发热板纵向高高竖起，热边界层就会变厚，导致对流传热系数降低。而横向摆放的话，就不会形成厚厚的热边界层，这样就能起到改善对流传热系数、降低冷却难度的作用。使发热体的短边朝向空气流动的方向易于散热。这对于自然空冷和强制空冷都适用。在强制空冷时，热边界层被风扇吹散，促进了降温。风扇其实就起到了缩小热边界层厚度的效果。 如果渐渐提高风扇的风速，热边界层很快会发生变形，出现冷空气与热空气搅作一团的状态（即湍流）。在这样的状态下，温度也会下降。 注意表面积与热边界层的平衡 如上所述，对流传热系数由热边界层的厚度决定。而散热能力与表面积对流传热系数成正比。 在研究传热的时候，计算表面积难度稍大。比方说，如果表面上有许多条0.1mm左右的沟槽，从形状上来说，表面积会大出不少。但是，由于0.1太过狭窄，温差会封闭在热边界层的内侧，基本起不到扩大表面积的效果。实际上，为了获得冷却效果，在散热器上形成沟槽的做法的确存在，不过，强制空冷虽然可以缩小热边界层的厚度，起到一定的效果，但自然空冷多数情况下效果不佳。 设计散热器时还有一点需要注意。在增加表面积的时候，人们往往倾向于增加翅片的数量。但翅片与翅片的间隔如果过窄，各个翅片的热边界层就会相互干扰。在这种干扰下，翅片与翅片之间将全部成为热边界层，充满热空气，导致对流传热系数骤降。 因此，找到最佳的翅片间隔非常关键。翅片的最佳间隔距离，是热边界层最大厚度（发热体上部）的2倍。对自然空冷而言，这个数值大致为510mm，但利用强制空冷的时候，在气流的作用下，热边界层将会变薄，使最佳翅片间隔缩小。 对流传热系数是单位表面积释放的热量 下面让我们来看估算热对流时使用的公式。 公式（1）是相当于热传导的热欧姆定律的热对流公式（图3）。 热流量（W）= 对流传热系数（W/m2K）物体表面积（m2）（表面温度-流体温度）（K） （1） 前面已经说过，对流传热系数不是物质的特性值，而是状态值，其单位也不同于导热系数，使用的是W/m2K。例如，当利用风扇形成气流时，空气的运动将会加剧，从而使传热系数出现大的变化。因此，对流传热系数的单位代表的是1m2释放多少W能量，而不是长度。具体来说，当空气与固体之间存在1K（）的温差时，如果1m2释放的能量为1W，则对流传热系数为1W/m2K。 按照热传导的热欧姆定律，计算热流量要使用T1和T2两个位置的温度，而对流使用的则是固体的表面温度，以及距离足够远的流体的温度。足够远是指位于热边界层的外侧。另外，与热传导的热欧姆定律相同，热导率的倒数即为热阻。 对流传热系数包括局部对流传热系数和平均对流传热系数。因为对流传热系数由热边界层的厚度决定，所以，如果不同位置的厚度不同，对流传热系数也会随之改变。但一一计算的话，工作量实在太大。因此，一般情况是用平均对流传热系数代替。求平均对流传热系数的方式，是计算整个面的局部对流传热系数的积分。本文后续出现的对流传热系数如果没有特别注明，均为平均对流传热系数。 在定义对流传热系数时，需要确定一个尺寸参数。也就是“代表长度”。代表长度是热边界层扩大方向的长度。例如，当气流吹向发热板的时候，局部传热的代表长度是与发热板上风侧端面之间的距离X，平均传热的代表长度则是发热板的总长度L（图3中下图）。 图3：思考对流需要结合对流传热系数对流的热流量是根据对流传热系数、物体表面积、表面和流体的温度计算。对流传热系数包括局部对流传热系数和平均对流传热系数。自然对流传热的简易计算公式 自然对流的传热系数约为312W/m2K，物体越小，该值越大。这是因为小物体不会形成厚厚的热边界层，单位面积的热能非常容易释放。相反，像房间墙壁那么大的物体，热边界层很厚，例如，23m高的储物柜的壁板的对流传热系数仅为23W/m2K。水的分子密度远大于空气，其对流传热系数也相当大（注3）。 （注3）这就是泡澡与蒸桑拿的差别。蒸桑拿的时候，人能待在100的蒸汽中，但泡澡的时候，45就会觉得烫。蒸桑拿时，人之所以能够忍受蒸汽与体温之间约60的温差，正是因