基于現(xiàn)代設計方法的雷達風冷系統(tǒng)設計*

陳 奎，帥立國，鐘劍鋒，劉國維

(1. 東南大學機械工程學院， 江蘇 南京 211189； 2. 南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

基于現(xiàn)代設計方法的雷達風冷系統(tǒng)設計*

陳 奎1，2，帥立國1，鐘劍鋒2，劉國維2

(1. 東南大學機械工程學院， 江蘇 南京 211189； 2. 南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

“選取參數(shù)—熱仿真—選取參數(shù)”的不斷重復是目前雷達風冷系統(tǒng)設計的常用方法，其設計周期長，且很難得到最優(yōu)熱設計方案。文中結合風冷設計理論和計算機輔助計算的優(yōu)化算法，提出了一種基于現(xiàn)代設計方法的雷達風冷系統(tǒng)設計方法，能夠在較短設計周期內(即“選取參數(shù)—熱仿真”)一次性完成熱設計，得到最優(yōu)的設計方案。該方法不僅縮短了設計周期，提高了工作效率，而且還能夠得到最優(yōu)的設計結果，提高設計質量。在文中給出的設計實例中，使用粒子群優(yōu)化算法完成了參數(shù)初選、風道出口溫度和實際風量風壓計算、風道寬度尋優(yōu)等設計流程，得到了最優(yōu)設計方案，選定合適的風機型號后進行了熱仿真驗證。仿真結果表明，機箱最高溫度為69.3 ℃，溫度冗余量為14.4%。

風冷系統(tǒng)；現(xiàn)代設計方法；熱設計；粒子群優(yōu)化算法

引 言

現(xiàn)代雷達作為一種高科技產物，其設計、生產、運輸、維修等需要耗費巨大的經濟成本，嚴重影響了雷達廠商在躋身大項目時的競爭力[1-3]。而雷達電子器件的熱可靠性是影響雷達壽命與安全工作的重要性能。目前電子設備應用最廣泛的熱控技術為風冷與液冷技術。傳統(tǒng)的風冷系統(tǒng)設計往往是“選取參數(shù)—熱仿真—選取參數(shù)”的不斷重復，同時有很大的熱設計冗余，不僅增加了成本，而且設計周期長，影響了雷達產品的設計效率。

現(xiàn)代設計方法(“現(xiàn)代廣義設計科學方法學”的簡稱)相對于傳統(tǒng)的“狹義設計”概念，并不僅僅是簡單的“出圖紙”，而是需要一系列的思維、實踐過程。其核心內容是動態(tài)設計、優(yōu)化設計與計算機輔助設計，是以理性的科學的方法使用計算機分析復雜的系統(tǒng)動態(tài)，進而優(yōu)化設計目標[4]。

目前，雷達風冷系統(tǒng)設計多以工程經驗為基礎，輔以簡單的計算與仿真分析，多為驗證性設計方案，具有較大的設計冗余?，F(xiàn)代設計方法提倡最優(yōu)化的設計方案，多學科交叉共同完善優(yōu)化設計。雷達風冷系統(tǒng)的設計可輸入現(xiàn)代設計方法的理念，在提高雷達熱可靠性的同時，降低其制造成本，增強我國雷達工業(yè)的國際競爭力。

1 雷達機箱風冷理論

由于電磁兼容設計的要求，雷達結構多為屏蔽插盒形式，安裝于半封閉機箱中，通過風機鼓風或抽風形式將廢熱帶出機箱。機箱散熱所需的總風量為各插盒所需風量之和，插盒散熱所需的風量為[5]

(1)

式中：Q為插盒所需風量，m3/s；Φ為插盒熱耗，W；ρ為插盒n風道內空氣的定性密度，kg/m3；cp為空氣的比熱容，J/(kg·℃)；to為插盒風道出口空氣溫度，℃；ti為插盒風道入口空氣溫度，℃。

插盒風道的風壓損失為[5]

(2)

式中：Δp為插盒n的總風壓損失，Pa；Δp1為插盒n的沿程阻力損失，Pa；Δpc為插盒n的局部阻力損失，Pa；ω為空氣流速，m/s；f為沿程阻力系數(shù)；lf為風道長度，m；d為風道當量直徑，m；∑ζ為局部阻力系數(shù)或若干損失系數(shù)的和。

每個風道的出口溫度需要通過迭代計算來確定，根據能量守恒得

(3)

雷達機箱往往考慮電磁干擾的影響，采用屏蔽插盒安裝電路印制板。屏蔽插盒的換熱系數(shù)為[5]

(4)

式中：J為考爾本數(shù)；G為組件風道內的空氣質量流速，kg/(m2·s)；Pr為普朗特數(shù)。

從上述理論可知，散熱所需的風量與風壓均與風道尺寸密切相關，出口溫度的計算需要通過式(3)與式(4)反復迭代完成，其中涉及到空氣溫度的物理性質參數(shù)，其定性溫度設為進出口溫度的平均溫度。

2 基于現(xiàn)代設計方法的風冷系統(tǒng)設計

2.1 風冷系統(tǒng)的現(xiàn)代設計方法流程

傳統(tǒng)的風冷設計是在確定風道基本尺寸后，利用式(1)～式(4)計算所需風量和風壓的大小，從而選取風機型號。這種設計方法不符合現(xiàn)代設計方法的最優(yōu)化理念，為得到最小的風量與風壓，需要根據式(1)～式(4)進行尋優(yōu)，從而得到最優(yōu)的待定或可變動的風道基本尺寸。

圖1為本文提出的風道尺寸設計方案流程圖。其中風道尺寸包括寬度、長度與深度大小，這3個尺寸大小均與機箱風冷所需的風量大小和風壓損失密切相關，均為待定參數(shù)，可對其進行優(yōu)化設計。

圖1 風冷風道尺寸設計流程圖

2.2 風道出口溫度計算

各風道的出口溫度計算是一個反復迭代的過程，其具體計算步驟如下：

1)根據容許的最高板溫計算機箱內各組件的表面最高容許溫度tw，n；

2)假設出口溫度為to，則機箱內空氣的定性溫度為出口溫度和入口溫度的平均值(ti+to)/2；

3)根據式(1)計算所需風量；

4)計算空氣質量流量q，根據式(4)計算換熱系數(shù)hc；

2.3 風冷散熱所需總風量與風壓計算

根據式(1)和式(2)計算各組件散熱所需的風量和風壓，得到理論上機箱散熱所需的總風量和總風壓。由于風機提供的總風量分配至各風道時，各風道內的風量與風道截面尺寸有關，一般情況下符合式(5)的形式，因此在計算各個風道所需的風量和風壓后，需要對總風量和總風壓進行修正。

(5)

式中：Qf,n為第n個風道的實際風量，m3/s；Q風機為風機提供的總風量，m3/s；Af為所有風道截面積的和，m2；Af,n為第n個風道的截面積，m2。

2.4 風道尺寸的計算機輔助優(yōu)化

上述過程是計算機輔助計算尋優(yōu)的迭代過程，計算十分復雜，需要借助優(yōu)化算法進行尋優(yōu)。一般可選用粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)、模擬退火算法、遺傳算法及其改良的算法等尋優(yōu)，需要優(yōu)化的目標為風量和風壓。風量和風壓的取值與風道尺寸密切相關，一般情況下，風道尺寸越大，所需的風量就越大，而風壓越小，為取得合理的風量和風壓，風道尺寸顯然存在一個最優(yōu)值。風量與風壓為多目標優(yōu)化，可設優(yōu)化目標為

minf=αQ+(1-α)Δp

(6)

式中，α為[0,1]上任意實數(shù)。

將多目標轉化為單目標進行尋優(yōu)。在得到優(yōu)化的風量、風壓值后，根據優(yōu)化值選擇風機型號，最后使用熱分析軟件進行熱仿真驗證。

3 應用實例

某雷達機箱的結構形式如圖2所示。風機置于機箱底部，上下空氣進出口為自由開孔形式，組件由面板和盒體組成，組件盒體間存在較大的間隙，為風冷散熱的風道。

圖2 某型雷達機箱結構簡圖

由于組件的長度、高度受到印制板大小的約束，不能更改，所以可優(yōu)化的風道尺寸為寬度大小，設為s1,s2, …,s8。采用第2部分介紹的方法，選用粒子群優(yōu)化算法對風道寬度尺寸進行優(yōu)化設計，其計算流程如圖3所示。

圖3 風道寬度粒子群優(yōu)化流程圖

各組件的熱耗見表1，各組件允許的最高溫度均為85 ℃。

表1 各組件熱耗

以式(6)為優(yōu)化目標，由于當α=0或α=1時為單目標優(yōu)化，且此時優(yōu)化結果是沒有意義的，因此分別計算α=0.1, 0.2, …, 0.9時的風道寬度最優(yōu)值s1,s2, …,s8，在MATLAB中編寫程序，計算結果見表2和表3。

表2 風道寬度計算結果

表3 風量、風壓計算結果

從表2和表3可知，隨著α的增大，風道寬度的最優(yōu)值逐漸減小，需要的總風壓增大，總風量減小。本例中的雷達機箱使用并聯(lián)安裝的風冷風機，并聯(lián)風機特性為風量相加，風壓不變，因此首先考慮風壓的取值。當α> 0.6時，隨著α的增大，總風壓驟增；當0 <α< 0.5時，隨著α的增大，總風量驟減。為保證安全的風壓和足夠的風量，取α= 0.4，Q=165.2 m3/h，Δp=65.2 Pa。根據散熱所需的總風量、總風壓，選擇Ebmpapst生產的4414M風機作為風冷系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，其風量、風壓特性曲線如圖4所示。

圖4 4414M風機特性

當Δp=65.2Pa時，單風機可提供的風量約為33 m3/h，則使用6只風機并聯(lián)，可提供的總風量約為Q= 6 × 33 = 198 m3/h，滿足散熱需求。

熱設計的結果需要進行仿真分析。本文為簡化計算，在Icepak中建立機箱模型，將各組件簡化為等尺寸的長方體，輸入4414M的風機特性曲線以及優(yōu)化計算出的風道尺寸等。仿真結果如圖5所示。

圖5 機箱溫度分布云圖

仿真結果表明，最高溫度為69.3 ℃，出現(xiàn)在第4個組件，與容許的最高板溫85 ℃相比，約有14.4%的余量，冗余量不大，具備較合理的可靠性。

4 結束語

現(xiàn)代設計方法的理念在雷達風冷系統(tǒng)設計中大大提高了制定合理參數(shù)的工作效率，且能夠得到較好的熱設計效果。傳統(tǒng)的設計往往是“選取參數(shù)—熱分析驗證—選取參數(shù)”的不斷重復，新的設計方法改善了這一繁瑣的過程，能夠直接尋找到最合理的參數(shù)，滿足縮短設計周期、提高設計質量的高要求，能夠進一步推動我國雷達工業(yè)的發(fā)展。

[1] DUSAN Z. Weather-radar recent development and trends[C]//2008 Microwaves Radar and Remote Sensor Symposium. Kiev,Ukrain: 2008.

[2] LUDWIG M, BUCK C H, COROMINA F, et al. Status and trends for space-borne phased array radar[C]// 2005 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. Long Beach, California, USA: 2005.

[3] HOMMEL H, FELDLE H. Current status of airborne active phased array(AESA) radar system and future trends[C]// 34th European Microwave Conference. Amsterdam, Dutch: 2004.

[4] 聞邦椿. 產品設計理論與方法的發(fā)展趨向及產品的現(xiàn)代設計[J]. 機電工程, 2011, 28(3): 254-259.

[5] 趙惇殳. 電子設備熱設計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

陳 奎(1989-)， 男，碩士，主要從事機械電子方面的研究工作。

帥立國(1968-)， 男， 博士生導師，主要從事機器人以及物聯(lián)網研究工作。

鐘劍鋒(1967-)， 男， 研究員級高級工程師，主要從事雷達大型陣面結構、微波以及T/R組件結構研究工作。

劉國維(1971-)， 男， 高級工程師， 主要從事設備結構設計工作。

Design of Radar Air-cooling System Based on Modern Design Method

CHEN Kui1,2，SHUAI Li-guo1，ZHONG Jian-feng2，LIU Guo-wei2

(1.MechanicalEngineeringCollege,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China;2.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The endless repetition of parameter selection, thermal design and then parameter selection is the most commonly used design method of the radar air-cooling system, which obviously makes the design cycle longer and makes it very difficult to get the optimal result. In this paper a new air-cooling system design method based on the modern design method is put forward which is integrated into the air-cooling design theory and the computer-assisted optimization algorithm. The optimal parameters can be obtained only one time in a short time and through accomplishing parameter selection and then thermal design. The design efficiency and quality of the air-cooling system can be improved with this method. In the example provided in this paper, initialization of parameters, calculation of exit-air temperatures and air flow & air pressure，optimization of the air flues width etc. are carried out by particle swarm optimization (PSO) and the optimal design results are obtained. Then the appropriate fan is selected according to the optimization results. The thermal simulation result shows that the maximum temperature of the chassis is 69.3 ℃ with 14.4% redundancy.

air-cooling system; modern design method; thermal design; particle swarm optimization (PSO)

2015-11-03

TK414.2+2

A

1008-5300(2016)01-0020-04