一種小型艦載相控陣天線熱設(shè)計

孟慶鵬，陸 敏

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003;2.海軍指揮學(xué)院浦口分院，南京 211800)

0 引言

某小型艦載相控陣天線屬于露天設(shè)備，主要由天線罩、上行組件、下行組件、子陣接收機(jī)、氣液熱交換器等組成，形成一個封閉系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。天線開機(jī)狀態(tài)下，上行組件、下行組件、子陣接收機(jī)和太陽輻射等產(chǎn)生許多熱量，使內(nèi)部溫度升高，影響天線工作。因此，需要對系統(tǒng)進(jìn)行合理的熱設(shè)計，選擇合適的冷卻方式進(jìn)行冷卻。

根據(jù)熱量產(chǎn)生形式、熱流密度和安裝位置不同，選擇液冷和風(fēng)冷相結(jié)合的方式散熱。子陣接收機(jī)、上行組件等發(fā)熱量大，采取液冷方式散熱，太陽輻射和下行組件發(fā)熱通過系統(tǒng)內(nèi)置氣液熱交換器提供的循環(huán)冷風(fēng)帶走，最終實(shí)現(xiàn)對整個天線的溫度控制。液冷部分主要從冷卻液選擇、冷卻液流量和系統(tǒng)壓損計算等進(jìn)行設(shè)計，并根據(jù)結(jié)果設(shè)計冷卻機(jī)柜，本文不作詳述。本文主要對天線內(nèi)部需要通過風(fēng)冷帶走的熱量進(jìn)行計算、仿真和驗證。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

1 熱計算

天線內(nèi)部需通過風(fēng)冷帶走的熱量主要由太陽輻射和下行組件發(fā)熱產(chǎn)生。根據(jù)電訊設(shè)計要求，整個天線要求提供進(jìn)風(fēng)溫度不高于25℃、回風(fēng)溫度不高于35℃的循環(huán)冷風(fēng)。

1.1 天線內(nèi)外熱量傳遞原理

天線工作時，外界環(huán)境的熱量分3個過程傳入天線內(nèi)部，即外壁外界空氣與天線罩外壁的自然對流換熱、天線罩內(nèi)外壁之間導(dǎo)熱和內(nèi)部空氣與天線罩內(nèi)壁的強(qiáng)迫對流換熱，熱量傳遞示意圖見圖2。根據(jù)熱阻理論，3個過程熱阻分別為R1、R2和R3，其中

圖2 天線內(nèi)外熱量傳遞示意圖

1.1.1 外界空氣與天線罩外壁自然對流熱阻計算

(1）外界環(huán)境綜合溫度計算

由于天線罩表面同時受到太陽輻射和外界環(huán)境溫度的熱作用，外表面得到的熱量為

其中，hc1為外界環(huán)境與天線罩外壁的對流換熱系數(shù)(W/m2·℃），t0為外界環(huán)境溫度(℃），tw為天線罩外壁溫度(℃），tz為外界環(huán)境綜合溫度(℃）。

考慮長波輻射后，外界環(huán)境綜合溫度為

(2）外界空氣與天線罩外壁對流換熱熱阻計算外界空氣與天線罩外壁對流換熱系數(shù)按照圖3 流程進(jìn)行計算。

圖3 對流換熱系數(shù)計算流程圖

計算中，當(dāng)tz和tz1溫度下空氣導(dǎo)熱系數(shù)λ 幾乎一致時，即認(rèn)為此時計算達(dá)到收斂，此時的溫度tz為外界環(huán)境綜合溫度，根據(jù)hc1=(tz－t0+M）ξI 得出外界空氣與天線罩外壁對流換熱系數(shù)，最終計算出外界空氣與天線罩外壁對流換熱熱阻R1。

1.1.2 天線罩內(nèi)外壁之間導(dǎo)熱熱阻計算

天線罩自身導(dǎo)熱熱阻由天線罩材料和物理性能決定，與外界環(huán)境沒有關(guān)系。天線罩結(jié)構(gòu)采用蜂窩狀、空氣夾層結(jié)構(gòu)，其有效實(shí)體傳熱面積η=0.4，導(dǎo)熱系數(shù)0.314 W/(m2·℃），壁厚0.01 m，帶入熱阻計算公式計算出天線罩內(nèi)外壁之間導(dǎo)熱熱阻R2。

1.1.3 內(nèi)部空氣與天線罩內(nèi)壁強(qiáng)迫對流熱阻計算

式中，Nu為努塞爾數(shù)，λ為定性溫度下冷卻流體的導(dǎo)熱系數(shù)，D為特征尺寸。當(dāng)Re＜105時，流體作層流流動，Nu=0.66Re0.5;當(dāng)Re≥105時，流體作紊流流動，Nu=0.032Re0.8，其中，雷諾數(shù):式中，v為冷卻流體的流速，υ為定性溫度下冷卻流體的運(yùn)動粘度。

1.2 外界環(huán)境傳入天線內(nèi)熱量計算

當(dāng)大氣環(huán)境溫度T0=65℃時，假設(shè)天線罩外壁空氣與天線罩之間為自然對流，天線罩內(nèi)壁空氣與天線罩之間為強(qiáng)迫對流。在氣液熱交換器工作下天線罩內(nèi)空氣平均溫度Ta=30℃，此時在不考慮外部熱交換條件下，天線罩達(dá)熱平衡狀態(tài)。

根據(jù)1.1.1 計算方法得到天線罩外部空氣的綜合溫度:

外界環(huán)境與天線罩外壁強(qiáng)迫對流換熱熱阻為

天線罩內(nèi)外壁之間熱傳導(dǎo)熱阻為

根據(jù)強(qiáng)迫對流熱阻公式，內(nèi)部空氣與天線罩內(nèi)壁強(qiáng)迫對流換熱熱阻為

由天線罩的綜合導(dǎo)熱系數(shù)公式:

得到天線罩的綜合換熱系數(shù)為K=7.455 W/(m2·℃）。

根據(jù)公式Q1=KA(tz－ta），A為天線罩散熱面積，計算得到通過天線罩傳入的熱量為Q1=1315 W。

1.3 下行組件發(fā)熱計算

單個下行組件工作時發(fā)熱量3 W，總熱量為Q2=64×5.5.=352 W。

1.4 氣液熱交換器風(fēng)量計算

計算后得到天線罩內(nèi)需要通過強(qiáng)迫空氣對流帶走的熱量為Q=Q1+Q2=1667 W，因此選擇氣液熱交換器制冷量需大于1667 W，經(jīng)過論證選擇制冷量為2000 W 氣液換熱器。氣液熱交換器需提供冷卻空氣流量為

式中，Q為氣液熱交換器制冷量，Q=2000 W;C為30℃時空氣比熱，查表為C=1005 J/ (kg·℃ ）;ρ為30℃時空氣密度，查表為ρ=1.165 kg/m3;Qv為冷卻空氣流量;△t為冷卻空氣進(jìn)、出口溫差，根據(jù)經(jīng)驗取10℃。則氣液熱交換器需提供冷卻空氣流量:

2 熱仿真和驗證

根據(jù)計算結(jié)果，對天線創(chuàng)建模型，劃分網(wǎng)格，運(yùn)用工程熱分析軟件ESC 進(jìn)行仿真，天線內(nèi)部溫度30℃，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，熱源為64個下行組件，單個組件產(chǎn)生熱量為5.5 W。天線內(nèi)部通過氣液熱交換器提供風(fēng)量673.2 m3/h 冷卻循環(huán)冷風(fēng)，送風(fēng)風(fēng)向見圖1，氣液熱交換器兩側(cè)回風(fēng)。仿真得到天線內(nèi)部流場和組件溫度場分布分別見圖4和圖5。結(jié)果顯示，天線內(nèi)部最大風(fēng)速為7.5 m/s，最高溫度為48.9℃，滿足天線正常工作要求。

圖4 天線內(nèi)部流場分布

圖5 組件溫度分布

運(yùn)用此方案進(jìn)行樣機(jī)研制，通過試驗測試下行組件表面溫度最高為45.2℃，位置與仿真結(jié)果一致。

3 結(jié)束語

本文對某小型艦載相控陣天線進(jìn)行了熱設(shè)計。選擇氣液混合冷卻方式散熱，運(yùn)用空氣綜合溫度理論進(jìn)行了熱量計算，利用工程軟件ESC 進(jìn)行了仿真，并采用該冷卻方式進(jìn)行了樣機(jī)研制，通過試驗驗證各項指標(biāo)均滿足要求。

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［2］趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［3］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2001.