自然空冷与强制空冷设计
理论：空气能带走多少热量
概述
有人提出去掉风扇改为自然风冷。安静又不易坏我能理解，但它能做到什么程度？
判断的核心是“换热系数 × 散热面积 × 允许温差”。自然风冷的换热系数只有强制风冷的几分之一，同样的发热量，要么把散热面积增加数倍，要么允许更大的温升。不过自然风冷有一个在强制风冷中几乎不起作用的帮手——辐射。先用数字比较一下。
自然对流换热系数
高 $L=0.1$ m 的竖直平板，表面55℃、环境25℃（温差30 K），取膜温40℃的空气物性，得 $Ra_L \approx 2.2\times10^6$、$\overline{Nu} \approx 22.8$，换热系数约 6.2 W/(m²·K)。
辐射的贡献
同一平板若发射率 $\varepsilon = 0.9$（黑色阳极氧化或涂装面），$h_{rad} \approx 6.3$ W/(m²·K)。10 cm 见方的一面，对流约散出1.9 W，辐射也约1.9 W。未处理的铝（发射率约0.05～0.1）几乎失去这部分。
辐射和对流一样大！原来自然风冷散热器是黑色就是这个原因。
没错。但要注意两点。翅片内侧彼此相对，从那里发出的辐射大多出不去，起作用的主要是朝外可见的表面。另外，强制风冷使换热系数超过30 W/(m²·K) 左右后，辐射所占比例变小，表面处理的效果也相对下降。
强制对流与混合对流判据
| 风速 | 换热系数（层流平板） | $Gr/Re^2$ | 主导对流 |
|---|---|---|---|
| 0.2 m/s | 5.5 W/(m²·K) | 2.35 | 混合（浮力不可忽略） |
| 1 m/s | 12.3 W/(m²·K) | 0.094 | 基本为强制 |
| 2 m/s | 17.4 W/(m²·K) | 0.024 | 强制 |
| 5 m/s | 27.5 W/(m²·K) | 0.004 | 强制 |
条件与上述平板相同（长0.1 m、温差30 K）。0.2 m/s 左右的弱气流，换热系数与自然对流几乎相同，浮力的影响仍在。把弱风扇或机箱缝隙气流当作纯强制对流处理，误差会很大。
风扇寿命由温度决定
电子设备偏爱自然风冷的一大原因是风扇属于寿命件。风扇寿命主要由轴承润滑脂的劣化决定，使用温度越高寿命越短。常用的经验是温度每升高10～15℃寿命约减半。在高温机箱里运转风扇，负责冷却的部件反而最先损坏。风扇装在进风侧还是排风侧，也是左右风扇自身温度的设计决策。
设计计算：翅片、风机与温度
自然风冷的翅片间距
高10 cm、温差30 K（上述 $Ra_L \approx 2.2\times10^6$）时最佳间距约7 mm。自然风冷散热器的翅片间距多在6～10 mm 就是这个原因。强制风冷可用更窄的间距，但压损随之增大，因此要与下面的风机工作点一起确定。
风机工作点
取最大风量40 m³/h、最大静压50 Pa 的风机（特性按直线近似），比较装在阻力系数 $K = 0.05$ Pa/(m³/h)² 的系统上，以及加装过滤器使 $K$ 加倍两种情况。发热50 W，空气 $\rho c_p \approx 1170$ J/(m³·K)。
| 工况 | 风量 | 静压 | 排气温升 |
|---|---|---|---|
| 按样本最大风量计算 | 40 m³/h | 0 Pa | 3.8 K |
| $K = 0.05$ | 21.5 m³/h | 23.1 Pa | 7.2 K |
| 加装过滤器 $K = 0.10$ | 17.0 m³/h | 28.8 Pa | 9.1 K |
用样本最大风量计算，会把排气温升低估近一半。而且过滤器堵塞后 $K$ 还会继续上升。工作点一定要由两条特性曲线的交点求得，并在堵塞工况下也确认一遍。
到结温的热阻
发热10 W、$R_{jc} = 1.0$ K/W、导热硅脂 $R_{cs} = 0.3$ K/W、环境40℃时，自然风冷散热器（$R_{sa} = 4.0$ K/W）得 $T_j \approx 93$ ℃，强制风冷（$R_{sa} = 1.2$ K/W）约65℃。两者都在许多半导体125～150℃的上限之内，但自然风冷余量小，环境温度升高或在高海拔时容易超限。
高海拔性能下降
海拔3000 m 处空气密度约为海平面的0.74倍。风机输送的体积流量不变，质量流量减少，排气温升约增至1.35倍。自然对流换热系数约与密度的0.5次方成正比，降至约0.86倍。无论哪种方式，只要规格中有使用海拔，就要按该密度重新计算。
CFD建模
自然风冷分析
- 务必启用浮力（Boussinesq 近似或理想气体）。重力方向设错的情况意外地多。
- 在机箱外也要留出空间，上方约为机箱高度的2～3倍，使上升气流不被边界顶回。
- 加入考虑面间角系数的辐射模型。不加的话，散热量可能被低估近一半。
- 温差小、流动慢，收敛也慢。稳态不收敛时，流动可能本身就在波动，应做非稳态计算并取平均。
强制风冷分析
- 风机通常不建详细几何，而用给定特性曲线（风量−静压）的边界条件或模型表示。旋转影响较大时使用旋转坐标系（MRF）。
- 过滤器、冲孔板、格栅按多孔介质处理，给出压损系数，系数取厂商值或实测值。
- 每个翅片间隙内要布置若干个网格，使速度和温度分布能够形成。一个间隙只有一个网格时，换热系数会严重失准。
- 用双热阻模型等简化热模型代替元件详细几何，可控制计算规模（参见热阻（Rth）模型）。
“加了风扇反而更热”的真相
给按自然风冷设计的机箱后加一个小风扇，结果元件温度反而升高，这种事并不少见。原因多半是风扇气流与自然对流的上升气流相冲，或者把排气口附近的热空气又吸了回来。风扇风量小时，只会破坏自然对流，却带不来足以弥补的冷却效果。用CFD画出流线一眼就能看出，加风扇之前最好先确认。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 自然风冷中省略辐射 | 大幅低估散热量 | 加入辐射模型和实际发射率 |
| 使用风机样本最大风量 | 温升被低估近一半 | 按风机曲线与阻力曲线交点计算 |
| 计算域紧贴机箱 | 自然对流上升气流受边界干扰 | 在上方和侧面留足空间 |
| 用室温平均值作为进风温度 | 机箱内回流使实际进风更热 | 在分析中确认进风口温度 |
| 不考虑海拔 | 3000 m 时温升约为1.35倍 | 按使用海拔的空气密度计算 |
我想自己改参数比较一下。
可以用自然对流换热系数计算工具和强制对流传热计算工具比较换热系数，用翅片阵列模拟器和散热器设计计算器看翅片尺寸的影响。风机工作点可用风机曲线与系统阻力曲线计算器，LED 等小元件的温度可用LED结温模拟器试算。散热器的详细设计步骤整理在散热器设计一文中。
价值
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