水下控制腔內部自然對流換熱特性及其影響因素研究

吳震宇，應志平，周建平，胡旭東

（1.浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州310018；2.國家海洋局第二海洋研究所海底科學重點實驗室，杭州310012）

水下控制腔內部自然對流換熱特性及其影響因素研究

吳震宇1，應志平1，周建平2，胡旭東1

（1.浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州310018；2.國家海洋局第二海洋研究所海底科學重點實驗室，杭州310012）

海洋裝備電子控制腔有效散熱能力是其持續工作的重要保證。以含內熱源的封閉腔體為研究對象，采用基于Boussinesq近似的零方程模型對腔內空氣的湍流自然對流進行建模，并使用有限體積法完成數值計算，分析了腔體內部溫度分布和空氣流動規律。結合控制腔功能設計要求，著重討論了熱源不同位置，鋁合金隔板厚度和間距等因素對氣密腔體內自然對流散熱效果的影響規律。研究的結果為海底長周期運行裝備控制腔熱設計提供了參考依據。

封閉腔體；內熱源；自然對流；數值仿真；換熱

0 引 言

在線式海底探測設備通過光電復合纜獲得電能，并將所采集到的探測數據通過光纜發送至岸基。隨著觀測能力增強，搭載在探測設備內的電子控制腔內部電路功率及其發熱也明顯增大，成為影響控制腔穩定運行的重要原因。陸地設備常采用的強迫風冷、水冷散熱方式，雖然能夠有效降低熱源溫度［1］，但是不適用于海底環境，而熱傳導散熱方式需要導熱板與熱源直接接觸，降低了內部電子元件的絕緣電阻。自然對流散熱較上述方式具有可靠、穩定、安全、壽命長的優點。在自然對流散熱條件下，給定表面積的腔體具有確定的散熱界限，若超出該限度，腔內溫度將會急劇升高，進而造成腔內電子設備失效。因此，氣密腔體散熱性能成為海底探測設備關鍵指標之一，國內外學者從理論和實驗方面對該問題進行了大量研究。

近年來，計算流體力學（CFD）數值仿真方法在研究流體傳熱方面獲得了廣泛應用。Ben等［2］對封閉腔體內底板發熱，頂板冷卻的形式進行了層流自然對流的數值研究；Das等［3］研究了方腔傾斜角度對內部自然對流的影響；Zhao等［4］研究了當同時存在內外熱源時，腔體的自然對流換熱問題；Altac等［5］研究了封閉腔體內部中心垂直放置發熱板時層流自然對流問題；Sheremet［6］對腔體內湍流自然對流進行了數值仿真。

上述文獻大多以方形腔體為研究對象，但在深海高壓環境下，圓柱腔體較方形腔體具有更好的承壓特性。因此，本文以實現控制腔體功能設計要求為基本前提，考察圓柱腔體內部空氣流動情況，開展含內熱源的氣密腔體內熱力學三維數值模擬，著重探討熱源不同位置，鋁合金隔板厚度和間距等因素對封閉腔體內自然對流散熱效果的影響，為此類熱設計問題提供一定參考。

1 物理模型與數值計算方法

1.1 物理模型及網格邊界條件

氣密性圓柱腔體內部自然對流物理模型如圖1所示，參考坐標原點設在圓柱腔體左端面圓心上，x軸正方向指向圓柱體右端面，y軸正方向與重力方向相反。該氣密性圓柱腔體采用鋁合金材料制成，其內徑d=220 mm，外徑D=256 mm，內空腔長度l=450 mm，外空腔長度L=540 mm?？刂魄粌裙碾娐肥褂瞄L方體熱源表示（高10 mm、寬25 mm、長50 mm），等效熱功率為10 W。在腔體內部設有兩塊鋁合金隔板作為熱源支撐平臺，從而將內空腔隔成三層，將隔板間距記為H。這種隔板分層結構能夠充分利用腔內有限空間，便于控制模塊布置和固定。該模型中的傳熱介質物理參數值如表1所示。

圖1 氣密性圓柱腔體內部自然對流物理模型（單位：mm）

表1 物理模型物性參數

環境溫度為20℃，選擇空氣作為流動工質，計算邊界設置為opening。分別采用六角優先網格和六面體笛卡爾結構化網格對圓柱腔體和熱源進行網格劃分，在熱源及隔板邊界上采用O型非結構化網格，其目的是提高網格劃分精度，如圖2所示，在熱源及其附近熱量集中處加密網格數量，整體計算區域由結構化網格和非結構化網格共同組成。

圖2 模型網格劃分

1.2 數值計算方法

該模型數值求解的控制方程如下：

質量守恒方程：

動量方程：

其中p為靜壓力，τ為應力張量。

能量守恒方程：

本數值仿真模型基于空氣作為流動工質，根據零方程模型進行湍流的數值模擬，控制方程如下：

湍流粘度方程：

其中l=min（kd，0.09 dmax），d為到壁面的距離，k為卡門常數，取k=0.419，s為平均張量應變速率系數，湍流普朗特數Pr=0.85。

本模型是關于氣密性封閉區域內的自然對流散熱問題，Boussinesq近似法比理想氣體模型更適用于封閉區域內溫度變化較小的純自然對流［7］。浮升力的影響可以由雷利數來表示：

其中β是熱膨脹率，α為熱擴散率。

腔體內壁和腔體外壁存在溫度差，以熱傳導方式發生熱交換?？諝鈱椛涞奈?、反射與散熱都可以忽略不計，只考慮物體面對面的輻射。不考慮投射，離開某特定表面的熱流有兩部分組成，一部分為該表面直接發射的熱量，一部分為該表面反射的熱量，其反射的熱量多少取決于該表面從周圍吸收到的熱量。

離開表面A的總熱量為：

其中，qout，A為離開表面A的總熱量，∈A為該表面的發射率，σ為玻爾茲曼常數，qin，A為該表面從周圍吸收到的熱量。

1.3 網格無關性驗證

本文所采用的自然對流壓力、動量松弛因子分別是0.7和0.3。為驗證網格無關性，采用了不同方案的網格劃分進行驗證。以腔體模型為例，三種網格數分別為483 576、544 434、567 468。計算結果表明在不同網格下的結點溫度相差很小，說明計算結果與網格無關，擇優選擇網格數為544 434的網格劃分法，即熱源網格使用2 mm的立方體網格，鋁合金隔板使用10 mm×10 mm×1 mm的長方體網格。

2 實驗及仿真結果分析

2.1 實驗設計及溫度對比

為了驗證仿真計算的有效性，搭建了腔體溫度采集實驗裝置對氣密腔體內熱源結點溫度進行采集。受到圓柱腔體中空間限制，本文僅對熱源位于圓柱腔體中間位置（x=l/2，y=0，z=0）時的結點溫度進行測量，如圖3所示。采用導熱硅脂使溫度傳感器與熱源充分接觸，經過一段時間后，熱源溫度達到穩定，即為結點溫度，多次測量結果的平均結點溫度為81.7℃，該位置的仿真結點溫度為85.1℃，誤差為3.99%?？紤]到實驗的誤差因素，如環境溫度波動、支架和導線的導熱效應、傳感器與熱源之間的接觸誤差等，認為此數值仿真結果基本能夠滿足實際工作特性。

圖3 圓柱腔體內熱源溫度采集實驗平臺

2.2 熱源在垂直方向上位置變化對散熱效果的影響

為了比較熱源位置對散熱效果的影響規律，分別對9種不同的熱源位置（x=L/2，z=0，y在-80 mm到80 mm區間內以20 mm間隔均勻變化）散熱效果進行了數值模擬。熱源結點溫度曲線如圖4所示，結果表明：當熱源在腔體中央位置附近處，結點溫度最低；而當熱源接近腔體頂部位置處，結點溫度最高；靠近空腔底部時溫度相對較高。

腔內氣體流動路徑能夠解釋這一現象，如圖5（a）所示，當熱源處于腔體中央位置時，熱源上方空氣受熱膨脹，空氣密度下降，在重力作用下上升，當熱空氣上升碰到腔體上壁面時，上升氣流被阻隔。熱空氣遇到溫度較低的壁面后將一部分熱量傳遞給壁面，并向頂部四周散開。熱空氣在沿著壁面流動的同時，熱量不斷散失，當碰到左右端面的時候，氣流再一次被阻隔，并且轉而向下流動，從而在腔體內形成明顯渦流，能夠將熱源所散發熱量快速帶走。但當熱源在腔體底部位置時，如圖5（b）所示，熱源下表面處沒有足夠的冷空氣補充，冷卻效果較差，熱源溫度較高。而熱源處于腔體的頂部位置時，如圖5（c）所示，熱空氣上升途徑被腔體上壁面阻隔，整體未能形成明顯的渦流，雖然熱源下方有充足冷空氣，但是上方熱空氣未能迅速散熱，熱量積聚，導致熱源溫度難以下降。

圖4 熱源在垂直方向上不同位置時的結點溫度

圖5 平面（x=45～495 mm，y=-110～110 mm，z=0）上的速度矢量圖

2.3 鋁合金隔板厚度對散熱的影響

將熱源放置在腔體中央（x=L/2，y=0，z=0），隔板間距H=70 mm。變化隔板厚度，熱源結點溫度的變化規律如圖6所示。在隔板間距保持不變前提下，隔板厚度增大，熱源的結點溫度相應降低，說明散熱效果增強。其中，當隔板厚度在0～2 mm之間變化時，熱源結點溫度下降趨勢最明顯；當隔板厚度大于2 mm后，熱源結點溫度下降趨勢減小，趨于平緩。產生這一現象的主要原因是鋁合金材料隔板所具備的優良熱傳導能力，如圖7所示，當上升熱流碰到上層隔板，熱流散開同時將熱量傳遞給隔板。

圖6 熱源在不同厚度隔板中間的溫度曲線

圖7 隔板具有厚度時自然對流速度矢量圖（Vmax=0.058 m/s）

2.4 鋁合金隔板間距對散熱的影響

圖8 不同隔板間距的溫度曲線

圖8顯示了當隔板間距變化時熱源結點溫度變化曲線。當間距小于25 mm，溫度變化曲線斜率較大。說明在此區域中隔板間距變化對熱源結點溫度影響效果明顯，當間距大于25 mm，曲線斜率趨于平緩，表明隔板間距變化對熱源散熱效果影響較小。當間距大于75 mm時，熱源的結點溫度達到最高，間距繼續增大，結點溫度有下降趨勢。熱源上下表面垂直方向上的空氣溫度梯度如圖9所示，橫坐標代表隔板與熱源表面的距離，距離熱源0～9 mm區域內，熱源的溫度梯度較大，隔板間距位于該范圍內，空氣熱傳導特性起到了主要的熱傳遞作用，將該區域稱為空氣熱導區域。當隔板間距在該范圍外時，空氣主要以對流傳熱方式將熱量傳遞給隔板，將該區域稱為空氣對流區域。

圖9 熱源上下表面在垂直方向的溫度梯度

3 結 論

本文對氣密性腔體內部熱源的自然對流散熱現象進行了數值仿真和實驗研究，并分析了3種因素對熱源散熱的影響規律。a）從對流換熱角度分析，熱源位置設置應能遵循如下條件：在熱源上方熱空氣上升，熱源下方冷空氣能進行補充，有效形成冷熱空氣對流渦旋。b）分析了隔板厚度對熱源散熱的影響規律，增加鋁合金隔板厚度有助于改善腔內換熱效果，但過厚隔板將會占據腔內空間，降低了空間利用率。c）隔板在熱導區域內時熱源散熱效果較對流區域內好，但鋁合金隔板離熱源的距離不宜過近，否則會降低電控系統絕緣電阻特性。

［1］Karim O，Crebier JC，Gillot C，et al.Heat transfer coefficient for water cooled heat sink：application for standard power modules cooling at high temperature［C］//Power Electronics Specialists Conference，2001. PESC.2001 IEEE 32nd Annual.IEEE，2001：1938-1943.

［2］Ben N K，Chouikh R，Kerkeni C，et al.Numerical study of the natural convection in cavity heated from the lower corner and cooled from the ceiling［J］.Applied Thermal Engineering，2006，26（7）：772-775.

［3］Das M K，Reddy K.Conjugate natural convection heat transfer in an inclined square cavity containing a conducting block［J］.International Journal of Heat and MassTransfer，2006，49（25）：4987-5000.

［4］Zhao F Y，Tang G F，Liu D.Conjugate natural convection in enclosures with external and internal heat sources［J］.International Journal of Engineering Science，2006，44（3）：148-165.

［5］Altac Z，Kurtul?.Natural convection in tilted rectangular enclosures with a vertically situated hot plate inside［J］.Applied Thermal Engineering，2007，27（11）：1832-1840.

［6］Sheremet M A.Numerical simulation of turbulent natural convection in electronic enclosure［C］//Micro/Nanotechnologies and Electron Devices（EDM），2010 International Conference and Seminar on.IEEE，2010：177-180.

［7］Raji A，Hasnaoui M，Bahlaoui A.Numerical study of natural convection dominated heat transfer in a ventilated cavity：case of forced flow playing simultaneous assisting and opposing roles［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2008，29（4）：1174-1181.

Research on Heat Transfer Characteristics of NaturaI Convection and Its InfIuence Factors in Underwater ControI Chamber

WU Zhen-yu1，YING Zhi-ping1，ZHOU Jian-ping2，HU Xu-dong1
（1.School of Mechanical Engineering&Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China；2.The Second Institute of Oceanography SOA，Hangzhou 310012，China）

Effective heat dissipation performance of electronic control chamber of ocean equipment is the important assurance of continuous working.This paper takes sealed chamber including internal heat source as the object of study，adopts zero-equation model based on the Boussinesq approximation to construction the model for natural convection in the chamber，uses finite volume method to complete numerical calculation and analyzes temperature distribution and airflow law in the chamber.In combination of function design requirement of the control chamber，this paper mainly discusses the influence law of different heat source positions，the thickness and distance of the aluminum alloy plates on natural convection heat dissipation effects in the airtight chamber.The research results provide reference for thermal design of control chamber of long-period operating equipment in the seabed.

sealed chamber；internal heat source；natural convection；numerical simulation

TK124

A

（責任編輯：康 鋒）

1673-3851（2014）05-0507-05

2014-03-17

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2012AA09A404）

吳震宇（1978-），男，浙江杭州人，副教授，研究方向為機電控制系統集成設計。

胡旭東，E-mail：xdhu@zstu.edu.cn