热设计必知：层流和紊流，别再傻傻分不清

作者简介科技自媒体优质创作者个人主页莱歌数字-CSDN博客211、985硕士从业16年从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件解决问题与验证方案设计十多年技术培训经验。专题课程Flotherm电阻膜自冷散热设计90分钟实操Flotherm通信电源风冷仿真教程实操基于FloTHERM电池热仿真瞬态分析基于Flotherm的逆变器风冷热设计零基础到精通实操站在高处重新理解散热。某汽车风阻实验测试图片来源于网络做热设计绕不开流体力学。层流与紊流看似基础却直接决定散热效率、压损与噪声。风扇选型、翅片排布、液冷流道设计背后都是这两种流态的博弈。基本定义层流层流(片流,laminar flow)流体质点不相互混杂流体作有序的层流动。层流laminar flow是流体的一种流动状态。流体在管内低速流动时呈现为层流其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。流体的流速在管中心处最大其近壁处最小。紊流湍流紊流(湍流tubulance fow)局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规脉动的流体运动。紊流又称湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时流体分层流动互不混合称为层流或称为片流逐渐增加流速流体的流线开始出现波状的摆动摆动的频率及振幅随流速的增加而增加此种流况称为过渡流当流速增加到很大时流线不再清楚可辨流场中有许多小漩涡称为湍流又称为乱流、扰流或紊流。紊流(Turbulent Flow)的特点无序性流体质点相互混掺运动无序运动要素具有随机性。耗能性除了粘性耗能外还有更主要的由于紊动产生附加切应力引起的耗能。 扩散性除分子扩散外还有质点紊动引起的传质、传热和传递动量等扩散性能。影响因素流体力学中层流和紊流的主要影响因素包括流体的流速、管径、流体密度和流体的黏度。通常会用雷诺数估测流体的流动状态。在圆管中雷诺数的定义如下:Reρud/μ式中Re表示雷诺数ρ、u、d和u分别表示流体密度速度圆管直径和流体粘度雷诺数越大流体越倾向于转为湍流。实验表明光滑金属圆管内可维持层流的最大雷诺数为13800可维持湍流的最小雷诺数约为 2320。‌流速u‌流速越大流体越容易从层流转变为紊流。当流速增加到一定程度时流体的流动形态会从层流转变为紊流‌。‌管径d‌管径越小流体在管道中的流动越容易受到阻碍从而更容易形成紊流‌。‌流体密度ρ‌流体密度越大其流动时受到的惯性力越大也更容易从层流转变为紊流‌。‌流体黏度μ‌黏度越小流体的流动性越好越容易形成紊流。黏度较大的流体在相同条件下更倾向于保持层流状态‌。当雷诺准数Re小于2000时流动类型为层流当雷诺准数大于4000时流动类型为紊流当雷诺准数在2000到4000之间时流动类型不稳定可能是层流、紊流或两者交替出现‌。结构设计湍流流动有利于流体内部热量的充分交换。因此增大流动的湍流效应往往可以强化流体与固体壁面之间的换热效率。比如有些散热器翅片上会做小尺度的拉槽如下图所示的散热器肋片上细微结构设计或者较长翅片式散热器的错齿设计都可视为湍流效应的使用如下图所示仿真影响用仿真软件进行模拟时尤其是液冷仿真的项目我们得注意工质的几个关键参数比如粘度这个直接影响内部的流阻从而影响整体的散热性能。为什么说粘度参数很重要通俗来说粘性是流体阻碍自身流动的特性。粘性是流体持续剪切变形时内部产生剪切力的性质。粘性宏观上体现为流体之间的动摩擦力。如果这个参数设置错误会直接导致最后的仿真数据不准所以在仿真配置时得查清楚相关温度下的参数情况如下图所示层流稳、紊流强散热设计看准场景选对“流”。觉得有用请点“在看”分享给同样被热设计困扰的朋友一起精进。