熱動畢業(yè)設計說明書.doc

；本設計采用了閉式強制循環(huán)冷卻系統(tǒng)，?。?Ta1散熱器冷卻空氣進口溫度，一般取左右，此次設計的產(chǎn) 品主要用于惡劣的甚至高溫的環(huán)境中，根據(jù)近年全國的氣溫 在本設計中??； 散熱器冷卻水進出口溫度差，一般選取，本設計中選取； 散熱器冷卻空氣進出口溫度差，一般選取，本設計中選取；計算得：3.4.2 散熱器散熱總面積 由于通過散熱器的冷卻水和冷卻空氣流速都不可能均勻；而且散熱器散熱表面會附著上油污，蒙上塵土，或是部分散熱面損壞，這些都會降低散熱器的散熱性能，所以實際選取散熱器面積F0時，要比計算結(jié)果大些，一般選取 (3-18)式中 儲備系數(shù)，通常取值；本設計中取?？傻?.4.3 單根散熱管芯表面積如圖3-2所示為散熱管芯單側(cè)的示意圖。由圖可知，單根散熱管芯表面積是由散熱翅片外側(cè)表面積S1，散熱翅片內(nèi)側(cè)表面積S2（翅片與銅管焊接部分可忽略不計），散熱管外側(cè)扁平面未焊接部分的面積S3和散熱管外側(cè)圓弧面的面積S4之和。3.4.3.1 單元體數(shù)目n 為了方便計算，我把翅片兩個波谷點之間的一段設為一個單元體，那么一條翅片所含有的單元體數(shù)目為： （3-19）式中 散熱器芯部高度，由式3-5知； 一個單元體的波長，；式中 翅片間距，由附表1得知。3.4.3.2 單根散熱翅片外側(cè)表面積S1一個單元體的外側(cè)表面積：散熱翅片外側(cè)表面積：3.4.3.3 單根散熱翅片內(nèi)側(cè)表面積S2一個單元體的內(nèi)側(cè)表面積：散熱翅片內(nèi)側(cè)表面積：3.4.3.4 單根散熱管外側(cè)扁平面未焊接部分的面積S3一個單元體內(nèi)未焊接部分的面積：散熱管外側(cè)扁平面未焊接部分的面積3.4.3.5 散熱管外側(cè)圓弧面的面積S43.4.3.6 單根散熱管芯表面積S3.5 校核計算3.5.1 校核散熱管數(shù)管芯式散熱器實際需要散熱管數(shù)等于估算散熱總面積與單根散熱管芯表面積之比；故實際需要管數(shù)： (3-20)3.5.2 散熱器實際散熱面積 確定管數(shù)和每根管芯的散熱表面積后就可精確計算出散熱器實際散熱面積，固有 (3-21)代入數(shù)據(jù)得3.6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計 為了使設計的管芯式散熱器在結(jié)構(gòu)上更加合理緊湊，本設計運用計算機模擬軟件對散熱器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。 在設計過程中，影響散熱器芯部面積的因素有散熱量、冷卻水流速、冷卻水進出口溫度差、空氣側(cè)流速、空氣側(cè)進出口溫度差、儲備系數(shù)等，在此次設計中，在給定散熱量的前提下，要想改變散熱器芯部面積就需要調(diào)整其它因素，在軟件優(yōu)化過程中，如果將全部因素都當做變量來處理，將大大增加編程難度，超出了我的能力范圍，也沒有足夠的時間去深究，故此次結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，將對散熱器芯部正面積變化影響小的因素作為定量處理，僅將對散熱器芯部影響較大的幾個因素作為變量來優(yōu)化，編程中將管內(nèi)冷卻水流速、冷卻空氣流速、儲備系數(shù)三者作為自變量，優(yōu)化目標是在兩散熱管芯安裝不干涉的情況下盡量使散熱器芯部面積取得最小值。3.6.1 MATLAB簡介 MATLAB是一款編程簡單、編程效率高、容易學習的科學軟件，是從事眾多工業(yè)、科研領域的必備工具。1984年，MATLAB誕生于MathWorks公司，當時主要用于矩陣運算，后來隨著科技的發(fā)展進步，MATLAB已廣泛應用于數(shù)字信號處理、科學可視化和系統(tǒng)仿真等方面。 本設計中主要用該軟件進行數(shù)字信號處理，最終使散熱器結(jié)構(gòu)性能得到優(yōu)化。3.6.2 設計程序設計程序如下：Qw=150870;ra=1.01;Cv=1047;for data=10:1:30for Vw=0.6:0.01:0.8 for va=8:0.01:12 for b=1.1:0.01:1.25Va=Qw/(data*ra*Cv);i=0.0036/(Vw*4.45e-5);t1=ceil(i);FR=Va/va;h=sqrt(FR);Re1=Vw*4.92e-3/0.326e-6;Pr1=1.94;Nu1=0.031*(Re10.77)*(Pr10.33);ha=Nu1*0.68/4.92e-3;Re2=va*2.22e-3/18.46e-6;Pr2=0.7;Nu2=0.56*(Re20.39)*(Pr20.4);hw=Nu2*0.0287/2.22e-3;KR=1/(1/ha+1/5.3e5+1/hw);F=Qw/(KR*35);F0=b*F;S=2*(h/3e-3)*(5.0456e-4+4.02596e-4+17.81e-6)+h*6.751e-6);i0=F0/S;t2=ceil(i0);t3=ceil(3000*h/t2); end endend if t1=t2&t322 break endend3.6.3 處理結(jié)果 通過多次循環(huán)，在多組數(shù)據(jù)中選了一組最可行的數(shù)據(jù)。然后通過自己將處理好的數(shù)據(jù)整理出來，方便后面的設計。3.6.3.1 計算機處理結(jié)果 通過多次修改程序后循環(huán)運行下，最終得到了如下較為滿意的結(jié)果：3.6.3.2 整理數(shù)據(jù)(1) 冷卻系統(tǒng)散出的熱量 (2) 冷卻水循環(huán)量 (3) 冷卻空氣需要量 (4) 水側(cè)雷諾數(shù) (5) 水側(cè)換熱系數(shù) (6) 空氣側(cè)的雷諾數(shù) (7) 空氣側(cè)換熱系數(shù) (8) 散熱器傳熱系數(shù) (9) 估算散熱器表面積 (10)設計散熱器表面積 (11)單根散熱管芯表面積 (12)估算散熱管數(shù) (13)實際散熱管數(shù) (14)實際散熱器表面積 (15)空氣流速 (16)水流速度 =0.8(m/s)(17)儲備系數(shù) (18)空氣進出口溫度差 (19)水側(cè)努契兒準則數(shù) (20)空氣側(cè)努契兒準則數(shù) 3.6.4 比較分析通過計算機軟件MATLAB優(yōu)化處理，散熱器在滿足散熱性能的情況下，在結(jié)構(gòu)上得到了優(yōu)化，節(jié)約了原材料，降低了成本，使設計出的散熱器達到了理想狀態(tài)。3.6.4.1 面積 在面積上單就散熱器芯部正面積比原來縮小了3.6.4.2 高度 單就散熱器芯部高度比原來減小了3.7 二次校核 由于經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計以后，散熱器原有數(shù)據(jù)大都發(fā)生了改變，為了爭取設計的準確性和可行性，對管數(shù)和散熱面積重新進行校核。3.7.1 實際散熱管芯數(shù)3.7.2 實際散熱表面積3.7.3 傳熱系數(shù)校核3.7.3.1 翅片效率 由于本次設計中采用的散熱翅片是由純銅制成，其厚度極薄，僅為0.2mm厚度，相對于翅片的高度和沿氣流方向長度來說要小許多，而且銅C15710的導熱系數(shù)大，所以完全可以忽略翅片兩端面的散熱量；故翅片效率為： （3-22）式中 m結(jié)構(gòu)系數(shù)，在散熱器的實際結(jié)構(gòu)設計中，如果忽略氣體側(cè)很小的污垢系數(shù)時，m可由下式計算求得： H翅片高度，查表得H=6mm；式中 翅片導熱系數(shù)，由參考文獻查得； 空氣側(cè)對流換熱系數(shù)，從整理后的數(shù)據(jù)查。計算3.7.3.2 傳熱系數(shù)表達式 假使按照剛出廠的管芯式散熱器處理，即按理想狀態(tài)處理，那么在設計中就可忽略散熱管兩側(cè)污垢的傳熱熱阻，就可將傳熱系數(shù)表達式寫為： （3-23）式中 水側(cè)對流換熱系數(shù)； 空氣側(cè)對流換熱系數(shù)； 單管水側(cè)傳熱面積， ； 單管空氣側(cè)傳熱面積，； 單管空氣側(cè)光滑壁面部分的面積，； 單管空氣側(cè)翅片部分的面積，； 水管壁導熱系數(shù)，銅C15710的導熱系數(shù)，查參考文獻得； 水管壁厚，散熱管壁厚，由附表一查得； 翅片效率；由式（3-22）得； 根據(jù)散熱器水管數(shù)據(jù)確定，；式中 單根水管壁扁平部分的面積， ； 單根水管壁圓環(huán)部分的對數(shù)平均面積， ；計算把以上數(shù)據(jù)代入傳熱系數(shù)表達式=90.13.7.4 校核實際散熱量 （3-24）代入數(shù)據(jù)得因為，其中為初始值， 為優(yōu)化結(jié)果。由于所以設計結(jié)果滿足國家行業(yè)設計標準，故設計的產(chǎn)品合格。3.8 流動阻力計算一切流體都具有黏性，黏性是流體的一種固有的物理屬性，在運動狀態(tài)下，這種物理屬性就會顯現(xiàn)出來。當流體介質(zhì)流經(jīng)物體表面時，會由于這種黏性而產(chǎn)生較大摩擦阻力，此為由于流速，也會產(chǎn)生壓差阻力，這些阻力都會消耗流體的一部分能量，所以為了設計結(jié)果的可行性和準確性，需對其進行阻力計算。3.8.1 空氣流動阻力 流體通過散熱器時，會受到摩擦阻力和壓差阻力，由于目前還沒有流體繞流管芯式散熱器方面的傳熱經(jīng)驗公式，故引用參考文獻中依據(jù)實驗得來的公式，管芯式散熱器中空氣流過散熱器芯部時的阻力系數(shù)的準則方程為： （3-25） 在此次設計中，散熱管帶采用了三排錯列布置，故 空氣流過散熱器芯部的壓力損失為 (3-26)式中 最小自由流通截面積與來流迎面面積之比； 最小自由流通面積，來流迎面面積，；kc進口壓力損失系數(shù),可由文獻查得；ke出口壓力損失系數(shù),可由文獻查得；芯部的摩擦阻力系數(shù)；u管間流速；d0水管的外徑，此處取水管的當量直徑，；其中、可從附表一種查得。注： 下標“1” “2”分別表示進、出口，“m”表示進出口算術(shù)平均值； 查附表得，； 。把數(shù)據(jù)代入(3-27)式得： =6862.9(Pa)3.8.2 水流阻力 冷卻水流過散熱器管道時，會由于流體自身的粘性而阻礙流體運動，冷卻水克服因粘性產(chǎn)生的內(nèi)部切應力以及管壁的摩擦阻力而會造成部分能量損失，能量損失的大小通常用壓力損失表示，壓力損失的大小可以由阻力系數(shù)反應。3.8.2.1 沿程阻力損失 在強制循環(huán)冷卻系統(tǒng)中，水在管中的運動屬于受迫運動，又有水的雷諾數(shù)，處于紊流區(qū)，所以冷卻水在管中流動時，出了克服粘性阻力，還存在流體內(nèi)部質(zhì)點相互碰撞造成的慣性阻力。所以水在散熱水管中流動時的沿程阻力可用下式求得： (3-27)式中 水流的沿程阻力系數(shù)，； 冷卻水密度，查附表四知； 冷卻水流動速度，和前面取相同值； 散熱器芯部厚度，查附表一