中断式、倾斜式及交错排列的矩形鳍片阵列对散热器性能影响的实验与数值研究

《Heat Transfer》：Experimental and Numerical Investigation of the Effect of Interrupted, Inclined, and Staggered Rectangular-Fin Arrays on Heat Sink Performance

层流自然对流中连续与中断鳍对热沉性能的影响研究。通过ANSYS Fluent对三维热沉模型进行数值模拟，尺寸305mm×100mm，鳍高17mm，间距9.5mm。对比不同倾斜角度（30°,45°,60°）及中断方式（直线/倾斜/交错）的鳍片结构，发现中断鳍（中断长度30mm）使热传递率提升22.3%，60°倾斜时热性能最优且实现47%轻量化。建立Nusselt数与雷诺数、倾斜角的关联式，数值结果与实验数据吻合度达89.5%，误差<4.68%。

　　

摘要

本研究重点探讨了连续鳍片与间断鳍片对散热器上方层流自然对流的影响，同时考虑了不同鳍片排列方式的影响。采用ANSYS Fluent软件基于有限体积法对散热器的三维模型进行了水力及热性能仿真。散热器的尺寸为长305毫米、宽100毫米，鳍片高度为17毫米，鳍片间距为9.5毫米。通过施加不同的功率（20、40、60、80、100和120瓦）来研究散热器性能的变化。测试了多种鳍片配置，包括直鳍片、不同倾斜角度（30°、45°和60°）的间断鳍片以及倾斜角度为60°的交错排列鳍片。结果表明，增加鳍片的间断长度可以提高传热速率。具体而言，当间断长度为30毫米时，传热速率比连续鳍片提高了22.3%。其中，倾斜角度为60°时传热速率最高。此外，在达到最佳传热速率的情况下，散热器的重量可减少47%。研究还建立了一个经验公式，用于将努塞尔数（Nusselt number）与瑞利数（Rayleigh number）及倾斜角度关联起来，为评估热性能提供了可靠的预测工具。数值模拟与实验结果在平均温差方面显示出89.5%的一致性，与现有文献的偏差小于4.68%。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。