電子設(shè)備艙設(shè)備架通風(fēng)設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算

劉牧　袁建新

【摘 要】本文介紹了飛機(jī)電子設(shè)備艙（簡(jiǎn)稱E-E艙）設(shè)備架通風(fēng)設(shè)計(jì)要求、設(shè)備架內(nèi)設(shè)備布置和通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，采用CFD方法對(duì)設(shè)備架及周圍區(qū)域的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，分析驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)布局下通風(fēng)系統(tǒng)的性能。

【關(guān)鍵詞】E-E艙設(shè)備架；強(qiáng)迫風(fēng)冷；自然冷卻；CFD

Avionics Compartment Rack Ventilation Design and Simulation

LIU Mu YUAN Jian-xin

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】This article introduces the aircraft avionics compartment（Abbreviation： E-E bay） rack ventilation design requirements，the equipments arrangement in the rack and the ventilation scheme.CFD is applied in this article to calculate and simulate the temperature field surrounding the E-E bay rack，and the ventilation performance of the design is verified.

【Key words】E-E bay rack；Forced ventilation cooling；Natural cooling；CFD

0 引言

隨著民用飛機(jī)技術(shù)發(fā)展，機(jī)載電子設(shè)備的數(shù)量和種類不斷增加，熱功耗也越來越高，優(yōu)化E-E艙內(nèi)部設(shè)備布局，規(guī)范電子設(shè)備冷卻設(shè)計(jì)接口標(biāo)準(zhǔn)和要求，提高電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的效率越來越成為民用飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

一般民用飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備集中安裝在E-E艙的電子設(shè)備架上，設(shè)備架與通風(fēng)系統(tǒng)相連，為電子設(shè)備提供統(tǒng)一的通風(fēng)冷卻接口，同時(shí)設(shè)備架周圍的環(huán)境溫度也需滿足相應(yīng)的要求，以保障電子設(shè)備的可靠性。

本文從民用飛機(jī)電子設(shè)備通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，介紹了E-E艙通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求與工作原理、E-E艙設(shè)備架通風(fēng)設(shè)計(jì)方案、和E-E 艙通風(fēng)冷卻系統(tǒng)安全性要求，并選取艙設(shè)備架典型區(qū)域進(jìn)行仿真計(jì)算，綜合分析驗(yàn)證了E-E艙設(shè)備架強(qiáng)迫風(fēng)冷與自然冷卻設(shè)備混裝的設(shè)計(jì)是否滿足系統(tǒng)性能要求。

1 E-E艙設(shè)備架通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

如圖1所示為E-E艙設(shè)備架通風(fēng)系統(tǒng)示意，對(duì)于設(shè)備架內(nèi)存在強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)備和自然冷卻設(shè)備混裝的區(qū)域，需要向強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻的電子設(shè)備內(nèi)部提供冷卻空氣，同時(shí)將該層所有設(shè)備散發(fā)的熱量通過頂部排氣孔和風(fēng)道排出機(jī)外。圖1所示為E-E 艙強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)備和自然冷卻設(shè)備混裝設(shè)備架通風(fēng)設(shè)計(jì)示意。

電子設(shè)備通風(fēng)冷卻系統(tǒng)正常工作時(shí)，應(yīng)確保飛機(jī)電子電氣設(shè)備艙的環(huán)境溫度在RTCA /DO-160[1]第中規(guī)定的A2類環(huán)境溫度范圍內(nèi)；對(duì)于安裝在E-E艙內(nèi)需要電子設(shè)備通風(fēng)冷卻系統(tǒng)提供強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻的電子設(shè)備，應(yīng)符合ARINC600[2]標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)上述要求，E-E艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)須滿足ARINC600和RTCA/DO-160中規(guī)定的強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻和E-E艙環(huán)境溫度兩方面的要求，具體見表1和表2。

該設(shè)備架頂層采用排風(fēng)管道進(jìn)行通風(fēng)，設(shè)備架的中間層和底層都具有通風(fēng)功能。對(duì)于設(shè)備架內(nèi)存在強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)備和自然冷卻設(shè)備混裝的區(qū)域，需要向強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻的電子設(shè)備內(nèi)部提供冷卻空氣，同時(shí)將該層所有設(shè)備散發(fā)的熱量通過頂部排氣孔和風(fēng)道排出機(jī)外。

對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)備，通過調(diào)節(jié)設(shè)備托架上孔板（圖3所示）的開孔數(shù)量控制進(jìn)入每個(gè)設(shè)備的冷卻空氣流量，以滿足ARINC600要求。

通過設(shè)備架頂部排氣孔（圖4所示）將設(shè)備散發(fā)的熱量排至設(shè)備架熱風(fēng)腔內(nèi)，再通過E-E艙通風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)管路排出機(jī)外，以控制E-E艙環(huán)境溫度維持在ARINC600和DO-160規(guī)定的范圍內(nèi)。

3 E-E艙設(shè)備架仿真計(jì)算

假設(shè)E-E艙設(shè)備架設(shè)備布置，分別選取具兩層具有強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)備和自然冷卻設(shè)備混裝的區(qū)域作為對(duì)象，采用icepak軟件對(duì)區(qū)域的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1 計(jì)算假設(shè)與邊界條件

根據(jù)ARINC600標(biāo)準(zhǔn)和DO-160中對(duì)電子設(shè)備艙環(huán)境溫度的要求，為了保守起見假設(shè)計(jì)算域外部自由流動(dòng)環(huán)境溫度為55℃。

根據(jù)ARINC600中規(guī)定的電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能參數(shù)，假設(shè)強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)備進(jìn)口溫度為ARINC600規(guī)定的設(shè)計(jì)點(diǎn)40℃，冷卻空氣流量為220kg/hr kW，設(shè)備頂部出風(fēng)口排氣溫度為56.4℃。根據(jù)ARINC600設(shè)備表面溫度不超過65℃，取極限值65℃。設(shè)備表面為對(duì)流換熱和輻射邊界條件，不考慮設(shè)備與托架之間的導(dǎo)熱。

對(duì)于自然散熱冷卻設(shè)備，假設(shè)熱載荷均勻分布，設(shè)備表面為對(duì)流換熱和輻射邊界條件。設(shè)備內(nèi)部不參與計(jì)算，不考慮設(shè)備與設(shè)備架之前的導(dǎo)熱。

計(jì)算區(qū)域兩側(cè)為絕熱邊界條件，不考慮對(duì)流換熱和導(dǎo)熱，計(jì)算區(qū)域前后表面為自由流動(dòng)開口，頂部為絕熱表面，頂部開孔模擬設(shè)備架頂部排氣孔，排氣孔直徑假設(shè)為D。

計(jì)算考慮設(shè)備布置，電子設(shè)備熱載荷，強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)備出口尺寸，強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)備出口流速，設(shè)備頂部排氣孔個(gè)數(shù)，排氣孔流速等參數(shù)和輸入條件。

3.2 仿真計(jì)算模型

采用icepak軟件，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，三維穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，設(shè)備及隔板采用Hollow Block處理，設(shè)備出口和設(shè)備架進(jìn)出口為opening。

E-E艙設(shè)備架1計(jì)算收斂后得到區(qū)域的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，。由計(jì)算結(jié)果可見，計(jì)算區(qū)域環(huán)境溫度（距離設(shè)備發(fā)熱表面75mm處）低于ARINC600規(guī)定的65℃，最高溫度為自然冷卻設(shè)備LGCU壁面處71.5℃。

E-E艙設(shè)備架2計(jì)算收斂后得到區(qū)域的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。計(jì)算區(qū)域環(huán)境溫度（距離設(shè)備發(fā)熱表面75mm處）低于ARINC600規(guī)定的65℃。最高溫度為圖中自然冷卻設(shè)備壁面處84℃，考慮到實(shí)際情況設(shè)備內(nèi)部通過設(shè)備表面開孔與環(huán)境之間存在對(duì)流換熱以及設(shè)備外殼與設(shè)備架之間的導(dǎo)熱，通過設(shè)備表面的發(fā)熱量小于計(jì)算假設(shè)值，熱備表面溫度應(yīng)低于此值。

4 結(jié)論

本文介紹了飛機(jī)電子設(shè)備艙設(shè)備架通風(fēng)設(shè)計(jì)要求，以及設(shè)備架內(nèi)部通風(fēng)設(shè)計(jì)、設(shè)備布置等特點(diǎn)。通過選取設(shè)備架的典型區(qū)域進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，分析驗(yàn)證了設(shè)備架內(nèi)部流量分配和設(shè)備周圍環(huán)境溫度的性能要求，可保證E-E艙電子設(shè)備工作的可靠性。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：田吉捷]