针翅阵列传热
理论：作为细圆柱群的针翅
概述
针翅散热器与板翅相比有什么好处？
细圆柱边界层薄，换热系数高，而且无论气流从哪个方向来都能冷却。但细针从根部到顶端难以传热，越往顶端温度越低、作用越差，这用翅片效率表示。换热系数用把针翅视为管束的Zukauskas公式求，翅片效率用翅片理论求。我们改变材料和排列，看散热量如何变化。
Zukauskas公式
Re = 10³～2×10⁵时，顺排C = 0.27、m = 0.63，叉排C = 0.35(S_T/S_L)^0.2、m = 0.60。C₂为排数修正，10排约0.97。
翅片效率
顶端散热用延长d/4的修正长度 $L_c$ 近似。$mL_c$ 越大效率越低。
管束传热
管束传热公式自20世纪前半叶起就为锅炉和换热器设计通过大量实验进行研究。立陶宛的祖卡乌斯卡斯在1972年把此前的实验在宽广雷诺数范围内重新整理，给出了顺排和叉排都适用的公式。针翅散热器就是把这种管束思路直接缩小。航空发动机涡轮叶片的内部冷却也使用针翅。
算例：10×10针翅
针径2 mm、高15 mm，纵横间距4 mm，底座40×40 mm；25℃空气以5 m/s吹来，底座比空气高40 K。
换热系数
| 排列 | 最大流速 | Re_max | Nu | 换热系数 |
|---|---|---|---|---|
| 顺排 | 10.0 m/s | 1,274 | 20.9 | 275 W/m²K |
| 叉排 | 10.0 m/s | 1,274 | 21.9 | 288 W/m²K |
材料与翅片效率·散热量（顺排）
| 材料 | 导热系数 | 翅片效率 | 散热量 |
|---|---|---|---|
| 铜 | 390 W/mK | 0.90 | 111 W |
| 铝 | 200 W/mK | 0.83 | 103 W |
| 钢 | 16 W/mK | 0.35 | 51 W |
| 塑料 | 1 W/mK | 0.09 | 24 W |
没有针翅的40 mm见方平板，换热系数44 W/m²K，散热量2.8 W。针翅使面积变为6.9倍，再加上细圆柱的高换热系数，铝制时散热量为37倍。
同样的形状换成钢，散热量就减半。
针翅换热系数约280 W/m²K，很高，热量从表面迅速散出。如果从根部向顶端的导热跟不上，顶端就变冷、不起作用。铝制针翅到顶端有83%的作用，钢只有35%，塑料只有9%，塑料针翅几乎只用到了根部附近。所以换热系数越高，针翅越要粗、短，材料导热系数越要高。反之像自然对流那样换热系数低时，导热系数低的材料效率也不会下降太多。
设计要点
- 用针翅间最大流速计算雷诺数（叉排还要检查斜向间隙）。
- 确认翅片效率，低于约0.7时加粗缩短或更换材料。
- 考虑气流从针翅上方或侧面绕过，用风道围住效果更好。
- 求压降，与风扇特性曲线匹配求工作点。
- 针翅过近时后排处于前排尾流中。
“气流绕开了针翅”
某散热器出现冷却效果不如目录值的问题。调查发现散热器上方有大间隙，风扇的风大部分没有穿过针翅之间，而是从阻力小的上方间隙流走。针翅压降大，只要有旁路，风就往那边流。在散热器上方加一块板封住间隙后，穿过针翅的风量增加，温度大幅下降。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 用来流速度算Re | 低估换热系数 | 用最大流速 |
| 翅片效率取1 | 高估散热量 | 计算效率 |
| 忽略旁流 | 实机冷却不足 | 用风道围住 |
| 不看压降 | 风量不足 | 求风扇工作点 |
| 忘记排数修正 | 排数少时高估 | 用C₂修正 |
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