基于Icepak的屜式插箱結(jié)構(gòu)風(fēng)冷仿真

（1洛陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471022;

2中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

摘 要：以Icepak作為仿真工具，以一種屜式插箱為仿真對(duì)象，針對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)氣流方向及風(fēng)機(jī)位置對(duì)冷卻效果的影響進(jìn)行分析，并結(jié)合仿真結(jié)果得出該結(jié)構(gòu)因素同風(fēng)冷效果之間的關(guān)系，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)機(jī)位置選擇及風(fēng)道形式布置提供參考。

關(guān)鍵詞：Icepak;強(qiáng)迫風(fēng)冷;屜式插箱;熱分析;風(fēng)道

1 引言

對(duì)熱流密度較大的電子電氣設(shè)備而言，通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。國(guó)外相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，溫度因素是引起電子電氣產(chǎn)品失效的“元兇”。因此，電子電氣設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)須考慮必要的熱管理手段（通常為風(fēng)冷或液冷）以提高產(chǎn)品安全性、可靠性及使用壽命。

相比液冷方式，在實(shí)際應(yīng)用中，強(qiáng)制風(fēng)冷以其更易實(shí)現(xiàn)、成本更低廉、適應(yīng)性更強(qiáng)等特點(diǎn)而獲得了更廣泛的應(yīng)用。強(qiáng)制風(fēng)冷的效果好壞除取決于所用風(fēng)機(jī)的性能外，還取決于氣流方向和風(fēng)機(jī)的位置布局。

本文以Workbench中的專業(yè)熱分析軟件Icepak為工具，結(jié)合仿真結(jié)果，針對(duì)電子電氣設(shè)備中氣流方向和風(fēng)機(jī)位置對(duì)風(fēng)冷效果的影響進(jìn)行分析，得出風(fēng)冷效果與氣流方向和風(fēng)機(jī)位置之間的關(guān)系，為電子電氣設(shè)備的散熱措施和風(fēng)道設(shè)計(jì)提供參考。

2 強(qiáng)迫風(fēng)冷基本原理

從工程熱力學(xué)角度，傳熱方式有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種。其中，傳導(dǎo)發(fā)生于兩種直接接觸的介質(zhì)（氣體、固體、液體）之間，能量傳遞以自由電子運(yùn)動(dòng)或晶格振動(dòng)的形式發(fā)生;對(duì)流發(fā)生在有溫差的表面和運(yùn)動(dòng)流體之間，有自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩種;輻射發(fā)生在兩種沒有直接接觸的表面，能量通過(guò)電磁波傳遞。強(qiáng)迫風(fēng)冷在本質(zhì)上屬于強(qiáng)迫對(duì)流形式。

本文分析對(duì)象的熱管理方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷，強(qiáng)迫風(fēng)冷的原理如下：根據(jù)牛頓冷卻定律（Newton’s Law of Cooling），處于氣流中的某物體，其溫度不同于氣流溫度，則其與氣流之間的熱量傳遞值Q為：

Q = h·A·（Tw-Tf） = ?T/R

式中，Q=小物體塊到空氣的全部熱量;

h=平均傳熱系數(shù);

A=小物體塊的接觸面積

Tw=小物體塊的平均溫度;

Tf =小物體塊附近氣流的平均溫度;

R = 1/（h·A） ，熱阻

在工程應(yīng)用中，典型的傳熱系數(shù)h和熱阻R值如下表1所示。

3 風(fēng)機(jī)位置對(duì)冷卻效果的影響分析

本文針對(duì)一種屜式后備電源插箱進(jìn)行分析。該插箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)IEC297-3進(jìn)行，其寬度為19in（482.6mm），高度為3U（133mm），深度為460mm，其外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)散熱。

3.1 風(fēng)機(jī)位置對(duì)流場(chǎng)速度分布的影響

進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，可以采用由系統(tǒng)向外抽風(fēng)的方式，也可以采用向系統(tǒng)內(nèi)鼓風(fēng)的方式。對(duì)于前者而言，軸流風(fēng)機(jī)從插箱內(nèi)抽出熱空氣，風(fēng)機(jī)位于插箱風(fēng)道的出口處，即風(fēng)道的下游。對(duì)后者而言，軸流風(fēng)機(jī)位于插箱風(fēng)道的冷空氣入口處，即風(fēng)道的上游。

軸流風(fēng)機(jī)的安裝位置直接插箱的冷卻效果。根據(jù)對(duì)氣流流場(chǎng)分布的測(cè)量，風(fēng)機(jī)應(yīng)安裝在風(fēng)道的下游，這時(shí)風(fēng)道較長(zhǎng)，氣流分布效果也更合理，由圖2可直觀地看出采用兩種不同風(fēng)機(jī)位置時(shí)氣流速度的分布效果。

由圖2可知，風(fēng)機(jī)安裝在氣流的下游時(shí)速度分布較好，相應(yīng)的冷卻效果也較好。如果風(fēng)機(jī)安裝在氣流的上游，則速度分布較差，在一定結(jié)構(gòu)因素的影響下還可能引起渦流進(jìn)而影響冷卻效果。

3.2 對(duì)于風(fēng)機(jī)位置的仿真分析

（1）分析模型建立。本文所分析的屜式后備電源插箱的三維模型如圖3所示。在滿足仿真精度的前提下，依據(jù)插箱中部件的結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)對(duì)插箱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

該屜式后備電源插箱的核心部分為若干支磷酸鐵鋰（LiFePO4）單體電池構(gòu)成的電池模組，在Icepak中使用“block”來(lái)描述;插箱端部的通風(fēng)柵在Icepak中則用“opening”進(jìn)行描述;插箱端部的軸流風(fēng)機(jī)通過(guò)建立“fan”來(lái)描述，插箱的箱壁則通過(guò)建立“wall”來(lái)描述。在建模過(guò)程中，相同物性的元件利用Icepak軟件的克?。–opy object）功能來(lái)快速生成（如圖4（a）所示）。各元件生成后，編輯其屬性使其能合理反映插箱各部分之間的物性關(guān)系。建立的簡(jiǎn)化模型（線框模型）如圖4（b）所示。

（2）網(wǎng)格劃分。在Icepak中建立模型后就要進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作，先生成粗網(wǎng)格（coarse mesh）進(jìn)行網(wǎng)格檢查（如圖5所示），對(duì)網(wǎng)格太粗的部位，選中相應(yīng)元件進(jìn)行細(xì)化，重新檢查網(wǎng)格直至確認(rèn)滿足分析需求。

（3）檢查氣流。對(duì)于Icepak熱分析來(lái)說(shuō)，在完成網(wǎng)格劃分之后，求解之前還需進(jìn)行一步檢查氣流的操作。該步驟目的在于通過(guò)檢查模型的雷諾（Reynolds）數(shù)和皮克列（Peclet）數(shù)來(lái)確定是激活湍流模型（Turbulent Model）還是層流模型（Laminar Model）。對(duì)該屜式插箱模型，根據(jù)檢查模型所獲得雷諾數(shù)和皮克列數(shù)激活湍流模型。

（4）求解計(jì)算。完成前處理過(guò)程后對(duì)模型進(jìn)行求解，此時(shí)Icepak打開一個(gè)Monitor窗口來(lái)描述求解的殘差，并動(dòng)態(tài)顯示收斂過(guò)程，如圖6所示。分析該窗口可知?dú)埐钋€此時(shí)已收斂。

（5）查看結(jié)果。在確定求解的殘差曲線收斂后，便可通過(guò)Icepak的后處理工具查看結(jié)果。對(duì)本文所分析的屜式電源插箱而言，在此主要關(guān)心其氣流速度分布、各部分溫度分布云圖等指標(biāo)。該分析在軸流風(fēng)機(jī)位于插箱尾部（抽風(fēng)）時(shí)所得到的氣流場(chǎng)速度及溫度分布如圖7、圖8所示，在軸流風(fēng)機(jī)位于插箱前部（鼓風(fēng)）時(shí)所得的氣流場(chǎng)速度及溫度分布如圖9、圖10所示。

由上述分析可知，在單一變量條件下，可得出下列結(jié)果：

（1）風(fēng)機(jī)后置的氣流場(chǎng)分布效果較好，而在風(fēng)機(jī)前置時(shí)，插箱內(nèi)的氣流場(chǎng)出現(xiàn)渦流（圖12）;

（2）風(fēng)機(jī)后置時(shí)插箱內(nèi)氣流場(chǎng)的最大氣流速度（9645.29m/s）為風(fēng)機(jī)前置時(shí)最大氣流速度（2804.53m/s）的3.4倍;

（3）風(fēng)機(jī)后置時(shí)插箱內(nèi)的最高溫度（20.65℃）要低于前置時(shí)的最高溫度（20.71℃）;

（4）風(fēng)機(jī)后置時(shí)插箱內(nèi)的高溫區(qū)域面積要小于前置時(shí)的高溫區(qū)域面積。

綜上，風(fēng)機(jī)后置位于插箱風(fēng)道下游時(shí)（抽風(fēng)）的冷卻效果更佳，這與3.1節(jié)所述的氣流流場(chǎng)分布測(cè)量結(jié)果一致。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了氣流方向和風(fēng)機(jī)位置對(duì)屜式插箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫風(fēng)冷效果的影響，基于單一變量原則，通過(guò)Icepak熱分析軟件對(duì)風(fēng)機(jī)位于風(fēng)道上游及風(fēng)道下游兩種情形進(jìn)行對(duì)比仿真模擬，所得的仿真結(jié)果驗(yàn)證了相應(yīng)的理論分析：在強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)的安裝位置直接影響插箱結(jié)構(gòu)的冷卻散熱效果。同等條件下，當(dāng)風(fēng)機(jī)位于設(shè)備風(fēng)道下游且由系統(tǒng)向外抽風(fēng)時(shí)冷卻效果更佳。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙惇殳.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]許國(guó)良，王曉星，鄔田華.工程傳熱學(xué)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

作者簡(jiǎn)介：賈磊磊（1988-），男，河南洛陽(yáng)人，碩士，助教，研究方向：微電網(wǎng)/儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。