一種基于風阻估算的風機選型方法

高馳名，劉　瑩，馬建章

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國核電工程有限公司河北分公司，河北 石家莊 050011)

一種基于風阻估算的風機選型方法

高馳名1，劉瑩2，馬建章1

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國核電工程有限公司河北分公司，河北 石家莊 050011)

摘要對矩形平行翅肋散熱器風阻的計算和考慮風阻情況下風機的選型進行了研究。簡要介紹了風機的特性曲線和工作點對散熱效果的影響，提出了一種基于矩形散熱器風阻估算的風機選型方法，基于該方法計算得出了矩形翅肋散熱器的風阻特性曲線。以某散熱器為例，用此方法計算了散熱器的風阻、風壓，選擇了合適的風機，通過ICEPAK軟件進行了仿真驗證，結果表明該方法合理、可行。

關鍵詞矩形散熱器；風阻估算；風機選型

A Method of Fan Selection Based on Air Flow Resistance Estimation

GAO Chi-ming1,LIU Ying2,MA Jian-zhang1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.ChinaNuclearPowerEngineeringCo.LTD.HebeiBranck,ShijiazhuangHebei050011，China)

AbstractThe estimation of air flow resistance and fan selection under air flow resistance are studied in the paper.The method of air flow resistance estimation and P-Q curve based on rectangular heat sink are described,and the influence of fan P-Q curve and fan operating point to the heat elimination of heat sink is introduced.A method of fan selection under air flow resistance is proposed.With a heat sink as example,the air flow resistance is calculated and the suitable fan for the sink is selected.An advanced thermal modeling software ICEPAK is used for simulation.The result proves that this method is reasonable and feasible.

Key wordsrectangular heat sink;air flow resistance estimation;fan selection

0引言

電子設備中大功率模塊的應用導致設備局部熱流密度大幅增加，一般的整機散熱的方法難以滿足散熱要求。為解決局部散熱問題，局部強制對流散熱器應用越來越廣泛，其中采用矩形肋散熱片配以對流風機的方案，以其結構簡單、易于加工、成本低廉，受到設計者的青睞。對于矩形散熱器，如何選擇與其匹配的風機是散熱效果好壞的關鍵。傳統風機選型是根據風機的功率和風量來確定型號，而忽略了風機動壓與散熱器風道阻抗是否匹配，如果風壓與風阻不匹配，則很有可能達不到預期的散熱效果。

在傳統方法的基礎上，考慮風道阻抗對風機風量和風壓的影響，通過計算散熱片的風道阻力和散熱所需要的風量，初步選擇風機型號、繪制風道阻抗曲線進而計算風扇工作點，再根據風扇工作點的值對所選的風機型號進行驗證，最終選擇適當的風機。

1風機特性曲線及風機工作點

1.1　風機P-Q曲線

風機的特性曲線，是指通風機在固定轉速下工作時，其壓力、效率與功率隨風量而變化的關系。一般以風量為橫坐標，壓力、功率或效率為縱坐標，其中以風量和壓力為坐標軸的曲線又稱為P-Q曲線[1]。

1.2　風機壓力和工作點

風機的總壓力是用來克服風道的阻力，并在出口處形成一定的速度頭。 風壓也可以表示成流量的函數，其曲線與P-Q曲線的交點即為風機工作點。風壓曲線表示的風機克服風阻的能力，所以風壓曲線又稱為風道阻抗曲線。風機工作點示意如圖1所示。圖1中C點即為風機工作點，PC、QC為風機實際工作時的風壓和風量。根據經驗工作點位于風機特性曲線右下方時，風機效率最高[2]。

圖1　風機工作點示意

由圖1可知，風機工作點是風機實際工作時的風壓和風量，本文的重點就是估算散熱器的風阻，進而繪制風阻曲線，求出風阻曲線與廠家提供的風機特性曲線的交點(工作點)，為風機選型提供依據。

2建立散熱器模型

計算散熱器風阻，首先要建立散熱器模型 ，本文以最簡單、常用的側吹風矩形平行翅肋散熱器為例建立模型如圖2和圖3所示。

圖中，H，W，L分別為散熱器的高度、寬度和長度，b為齒間距，t為齒厚度，h為齒高，這6個參數就能唯一確定散熱器的外形。散熱器底部緊貼發熱量為Φ的器件(忽略散熱器的導熱熱阻)。

圖2　散熱器模型

圖3　風道示意圖

3散熱器風阻估算

3.1　估算散熱器風阻

散熱器的風阻由入口阻力、沿程阻力和出口阻力3部分組成[3]。氣流進入散熱器時由于流道收縮產生入口阻力，氣體在流道內流動時由于與流道的摩擦而形成沿程阻力，氣體離開散熱器時由于氣體膨脹而產生出口阻力。通常風阻用壓降ΔP表示[4,5]：

ΔP散=ΔP入+ΔP沿+ΔP出，

(1)

ΔP入=Kcρu2/2 ；ΔP出=KEρu2/2 ，

(2)

根據上述公式可以出計算散熱器風阻。

3.2　計算風機全靜壓

風機的全靜壓除了用于克服散熱器風阻外，出口流體還要有一定的速度頭才能把熱流體帶出系統，風機全靜壓用P靜表示。

P靜=ΔP散+P速度。

(3)

結合式(1)和式 (2)，風機靜壓可按表示為：

(4)

(5)

由式(5)可以看出，風扇全靜壓是一條以流量Q為自變量通過原點的拋物線，而其斜率取決于系數K。

4風扇選型

根據熱平衡方程，可得系統通風量為：

(6)

式中 ，ρ 為空氣密度(kg/m3)；Cp為空氣定壓比熱(J/(kg·℃))；Φ為總損耗功率(熱流量)(W)；Δt為冷卻空氣的出口與進口溫差(℃)?？諝獾某隹跍囟葢鶕卧獌雀髟试S的表面溫度確定，而元件的表面溫度與冷卻效果有關。Δt的確定涉及一系列的迭代計算，一般Δt可取(10~15℃)[1,3]。

根據式(6)計算的風量Qf，以Q=(1.5~2)Qf為風機最大風量，選擇風扇型號，得到風機的特性曲線。根據式(5)在風機特性曲線上繪制系統風阻拋物線，2條曲線的交點C(QC,PC)即為風機的工作點。

比較QC與Qf,若QC>Qf，工作點風量大于所需風量，則所選的風機是合適的；若QC

5實例計算

根據圖2中模型，將相應的參數賦予具體的數值，取環境溫度20 ℃，W=51 mm，L=50 mm，t=1.5 mm，b=3 mm，n=12，h=30 mm，系統散熱量Φ=50 W，Δt=15℃。取t=20 ℃為定性溫度，查得空氣物性參數為ρ=1.205 kg/m3，CP=1 005 J/(kg·℃)，μ=1.85×10-5kg/m·s。

5.1　估算風量

5.2　估算風阻

將數據帶入相應公式得到各個系數結果如下(均采用國際單位)：σ=0.647，KC=0.244，KE=0.338，DH=0.005 45，S=0.000 989 91，u=2.83，Re=833.7，λ=0.1，f=0.025,L*=0.011，fapp=0.047。

計算風機靜壓系數K為：

P靜=KQ2=2.03×106Q2，

即為系統風阻特性曲線。

5.3　風機選型

取Q=2Qf≈12 CFM，選取BS501512H軸流風機(最大風量17.2 CFM)，把上節得到的風阻特性曲線繪制到風機特性曲線[9]如圖4所示。求出2條線的交點QC(7.44，2.47)，QC即為所求工作點。顯然QC>Qf，所選風機符合要求。

圖4　風機P-Q曲線與風阻曲線

5.4　數值仿真與結果分析

為了驗證上述方法的可行性，用ICEPAK軟件對上述算例進行仿真，對2種結果比較分析。仿真得到風扇的工作點如圖5所示。

圖5　仿真得到的風機工作點

根據圖5的結果，進行單位換算得QCF=3.845×10-3m3/s=8.15 CFM，PCF=20.37 N/m2=2.07(mmH20)，顯然QCF>QC>Qf，PCF

估算風阻所采用的模型是假設氣流都從散熱器的溝槽中流過，并且假設出口壓力是下降的。實際情況下，有相當一部分氣流是從散熱器的邊界面流過，并且當氣流流出散熱器溝槽時，壓力會有所回升，所以風阻估算的結果偏大，用本文的方法估算風阻來選擇風機應該更加更安全。

6結束語

選擇風機時需要考慮的因素很多，如風機的風量、風壓、特征、體積、重量和功率以及通風系統的阻抗等，其中主要的參數是風量、風壓和系統風阻特性。充分考慮系統風阻的前提下，對于風道較長，且遠離熱源的系統宜選用風壓較大的風機，對于風道短，接近熱源的系統宜選用風量較大的風機。

對矩形肋散熱器風阻進行了定性和定量分析，給出了散熱器風阻的估算方法，并與數值仿真結果進行了對比，在考慮散熱器風阻的情況下，選擇與散熱器風阻抗相匹配的風機，為風機選型提供了一定的理論依據。

參考文獻

[1]邱成悌，趙惇殳，蔣全興．電子設備結構設計原理[M].南京：東南大學出版社，2007.

[2]王麗.大功率電子設備結構熱設計研究[J].無線電通信技術，2009，35(5)：61-63.

[3]江學平．集中熱源對散熱器換熱性能的影響及其解決方案[D].南京：南京航空航天大學，2005.

[4]史美中，王中錚．熱交換器原理與設計[M].南京：東南大學出版社，1986.

[5]SIMONS R E ， SCHMIDT R R.A Simple Method to Estimate Heat Sink Air Flow Bypass[J].ElectronicsCooling,1997,3(2):36-37.

[6]張天孫，盧改林．傳熱學[M].北京：中國電力出版社，2007.

[7]謝少英，趙惇殳，王世萍．型材散熱器優化設計[J].電子機械工程，2001(3)：29-30.

[8]袁恩熙.工程流體力學[M].北京:石油工業出版社，2002.

[9]軸流風機手冊[S].蘇州:蘇州三協電機有限公司，2011.

高馳名男,(1982—)，工程師。主要研究方向：電子通信設備結構設計。

劉瑩女,(1983—)，工程師。主要研究方向：核電站常規島工藝系統技術開發及工程設計。

作者簡介

收稿日期：2015-05-05

中圖分類號TH136

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2015)08-0076-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.21

引用格式：高馳名，劉瑩，馬建章.一種基于風阻估算的風機選型方法[J].無線電工程，2015，45(8)：76-79.