某電子方艙艙內(nèi)熱環(huán)境的模擬研究

張夢(mèng)龍，蔣敏，黃永

（中國人民解放軍91913部隊(duì)，遼寧 大連 116041）

隨著電子科技的不斷發(fā)展，車載雷達(dá)方艙已經(jīng)成為戰(zhàn)場(chǎng)上指揮控制的關(guān)鍵。雷達(dá)方艙一直處于露天環(huán)境中，夏天高溫暴曬下，通過對(duì)流傳熱，熱輻射等方式，使方艙有限的空間內(nèi)迅速升溫。另外方艙內(nèi)集成了大量高功率的電子設(shè)備，工作中也會(huì)產(chǎn)生較高的熱量。一方面電子設(shè)備在高溫工作環(huán)境下工作，會(huì)使電子設(shè)備的溫度急劇上升，從而直接導(dǎo)致電子設(shè)備故障或者系統(tǒng)崩潰；另一方面高溫環(huán)境影響操作人員的舒適性，從而影響任務(wù)的執(zhí)行效率[1-2]。為了保證方艙內(nèi)設(shè)備的正常工作和操作人員的戰(zhàn)斗力，必須對(duì)方艙內(nèi)進(jìn)行必要的降溫措施，但是對(duì)于集聚大量高功率電子設(shè)備的方艙卻存在著解決散熱困難的問題[3-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中[5]。文中結(jié)合CFD軟件FLUENT對(duì)某雷達(dá)方艙內(nèi)進(jìn)行了建模及數(shù)值模擬[6]，分析艙內(nèi)的速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)，以及艙內(nèi)環(huán)境是否滿足電子設(shè)備的散熱條件及人員舒適度要求，為以后方艙制冷系統(tǒng)的改進(jìn)提供有力依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 傳熱分析

傳熱模型主要有熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱以及輻射換熱三種類型[7]。方艙受到太陽輻射等影響通過艙壁使艙內(nèi)溫度升高，而工作的電子設(shè)備、燈等設(shè)備通過對(duì)流換熱，散熱到艙內(nèi)，也導(dǎo)致艙內(nèi)溫度升高，大大降低了設(shè)備的可靠性和人員舒適性。因此采用空調(diào)的制冷給方艙降溫，通過冷氣和熱流的有效交換，達(dá)到調(diào)節(jié)艙內(nèi)溫度的目的，從而使電子設(shè)備和操作人員處于一個(gè)良好的工作環(huán)境中，提高工作效率。

電子器件之間傳熱、機(jī)柜壁面內(nèi)外部之間傳熱、方艙內(nèi)外部溫差引起的熱量傳遞以及其他物體直接接觸的熱傳遞均是通過熱傳導(dǎo)形式實(shí)現(xiàn)。熱傳導(dǎo)方程為：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；A為垂直于導(dǎo)熱方形的截面面積，m2；為溫度梯度矢量，W/m；φ為熱流量，W；q為熱流密度，W/m2。

方艙電子設(shè)備的強(qiáng)制風(fēng)冷、機(jī)柜內(nèi)外部的對(duì)流換熱、以及其他由于空氣流過固定表面因溫度不同所產(chǎn)生的熱量交換均是通過對(duì)流換熱方式實(shí)現(xiàn)的。對(duì)流換熱可根據(jù)牛頓冷卻公式計(jì)算：

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)；A為對(duì)流換熱面積，m2；ΔT為固體壁面溫度與流體溫度差的絕對(duì)值，K。

方艙內(nèi)部輻射換熱包括各設(shè)備之間由于溫度不同引起的輻射換熱。輻射熱量可采用斯蒂芬-玻爾茲曼定律的修正形式：

式中：ε為輻射黑度或發(fā)射率，指物體的輻射能力與同溫度黑體的輻射能力之比，其值小于1，且與物體的種類、溫度及表面狀況等有關(guān)[8-9]；σb為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，通常取 5.67×10－8W/(m2·K4)；T為物體絕對(duì)溫度，K。

1.2 假設(shè)

文中結(jié)合 FLUENT軟件對(duì)某型雷達(dá)方艙進(jìn)行數(shù)值模擬，由于該次仿真的重點(diǎn)是艙內(nèi)整體熱環(huán)境的控制，主要是通過軟件分析得到方艙人員活動(dòng)區(qū)以及電子操作柜的熱環(huán)境，因此對(duì)模型以及流場(chǎng)作出如下假設(shè)。

1）空調(diào)簡(jiǎn)化為風(fēng)扇。由于空調(diào)降溫屬于艙內(nèi)氣體內(nèi)循環(huán)過程，況且空調(diào)本身就是很復(fù)雜的氣體降溫過程，因此將空調(diào)簡(jiǎn)化為風(fēng)扇，將出風(fēng)口設(shè)置為進(jìn)口、空調(diào)吸氣口為出口。通過給定進(jìn)口溫度和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)外循環(huán)降溫的過程。

2）電子設(shè)備簡(jiǎn)化成規(guī)則的長方體。可以給定電子設(shè)備的恒定功率，將其轉(zhuǎn)化成均勻的平面熱流量。

3）艙內(nèi)空氣為不可壓縮，流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流。

4）艙內(nèi)辦公桌、沙發(fā)、書柜僅作為障礙物對(duì)待。

5）不考慮艙內(nèi)各傳熱表面的輻射影響及操作人員的散熱影響。

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格

文中以某型雷達(dá)電子方艙為研究對(duì)象。如圖1所示，雷達(dá)方艙外形尺寸為：5800 mm × 2100 mm ×1930 mm。方艙分為前后艙，艙內(nèi)主要結(jié)構(gòu)為：前艙包含指揮桌、材料柜、沙發(fā)電源開關(guān)、三盞LED燈、兩臺(tái)壁掛空調(diào)以及四臺(tái)機(jī)柜；后艙包含兩臺(tái)機(jī)柜、兩盞 LED燈。其中艙內(nèi)結(jié)構(gòu)均根據(jù)實(shí)際情況布置，電子設(shè)備均安裝在機(jī)柜內(nèi)。艙壁內(nèi)外層為1.2 mm的防銹鋁板，中間為阻燃性的聚胺酯泡沫芯材，密度為60±5 kg/m3，艙壁的傳熱系數(shù)為 1.5 W/( m2·K)[10]。

圖1 方艙幾何模型

總的計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)目為40萬個(gè)，均為結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。如圖2所示，截取前后艙人員活動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格截面分別為：x=0.9 m，y=0.9 m，z=4.3 m。

2.2 數(shù)值方法

文中模擬采用湍流模型為κ-ε兩方程模型，近壁面處采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理；差分格式采用混合格式；求解方法采用不可壓縮流的SIMPLE算法；控制方程采用有限體積法離散，動(dòng)量方程和能量方程的對(duì)流項(xiàng)均采用一階迎風(fēng)差分格式。

2.3 邊界條件

圖2 計(jì)算區(qū)域簡(jiǎn)圖及網(wǎng)格

入口邊界：方艙進(jìn)口采用速度入口，其中每臺(tái)空調(diào)的入口循環(huán)風(fēng)量為600 m3/h，入口溫度為20 ℃，入口角度分別為30°、0°（入口速度方向與房頂夾角）。

出口邊界：方艙出口采用壓力出口，其中出口壓力為大氣壓，溫度為大氣環(huán)境溫度。

壁面邊界：艙壁的邊界條件采用第三類邊界條件。假設(shè)夏天陽光下某一時(shí)刻溫度為35 ℃，則方艙三面艙壁受到太陽直射，表面溫度假設(shè)固定為40 ℃，其余三面未受到太陽直射，溫度稍低固定為30 ℃。當(dāng)電子設(shè)備工作時(shí)，電子設(shè)備為艙內(nèi)主要熱源，其中6臺(tái)機(jī)柜按照每臺(tái)耗散熱量600 W計(jì)算，其中每臺(tái)機(jī)柜均按5個(gè)模塊組成，設(shè)置成熱流邊界。當(dāng)電子設(shè)備不工作時(shí)，電子模塊邊界均按照第一類邊界條件處理。每盞日光燈散熱量為10 W，均勻分布在燈的表面，設(shè)置成熱流邊界。電源開關(guān)散熱量為100 W，艙內(nèi)給定初始溫度為80 ℃。

3 計(jì)算結(jié)果分析

方艙內(nèi)的制冷系統(tǒng)主要是為了滿足操作人員舒適性和電子設(shè)備可靠性要求。

溫度和速度是影響人員舒適性的重要因素，根據(jù)文獻(xiàn)手冊(cè)及規(guī)范[11-12]規(guī)定：人體舒適溫度范圍為23～28 ℃，通過人體周圍的氣流速度不大于0.3 m/s。

方艙內(nèi)電子設(shè)備安裝面的工作溫度一般要求低于85 ℃，而電子設(shè)備均集中在電子機(jī)柜內(nèi)。工作時(shí)，設(shè)備同時(shí)產(chǎn)生大量熱量，如果不能及時(shí)降低器件周圍耗散的熱量，就會(huì)導(dǎo)致電子器件的工作溫度急劇升高。電子器件在高溫環(huán)境下不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備失效，系統(tǒng)崩潰，而且會(huì)降低電子設(shè)備的可靠性和使用壽命。

文中截取了x=0.9 m，z=4.3 m處橫截面，即前艙、后艙操作人員活動(dòng)區(qū)域截面，便于分析活動(dòng)區(qū)域的速度和溫度分布。截取x=1.6 m，z=4.9 m處橫截面，便于分析前、后艙電子設(shè)備周圍的流場(chǎng)分布。

3.1 電子設(shè)備工作、兩臺(tái)空調(diào)同時(shí)工作

在保持送風(fēng)速度和溫度不變的情況下，分別對(duì)送風(fēng)角度為30°、0°進(jìn)行數(shù)值模擬及對(duì)比分析。

3.1.1 人員舒適性分析

圖3和圖4分別給出了不同送風(fēng)角度情況下前、后艙人員活動(dòng)區(qū)域處橫截面的溫度場(chǎng)及等值線分布情況。當(dāng)送風(fēng)角度為30°時(shí)，垂直方向上的最大溫差為12 ℃。由于人員工作中活動(dòng)區(qū)域的高度為0～1.75 m左右，活動(dòng)區(qū)域的溫度基本保持在26 ℃左右。其中空調(diào)吹風(fēng)處的低溫區(qū)域比較集中，溫度達(dá)到23 ℃，因此在低溫區(qū)域的人員會(huì)感覺到稍冷。后艙溫度相比前艙溫度較高，因此后艙工作人員會(huì)感覺到較熱。送風(fēng)角度為0°時(shí)，垂直方向上的最大溫差也為12 ℃左右，但是前艙和后艙人員活動(dòng)區(qū)域的溫度卻達(dá)到了29 ℃左右，空調(diào)吹風(fēng)處的低溫區(qū)域集中在方艙上部，因此，操作人員整體感覺到較熱，舒適性較差，不能滿足人員舒適性要求。因此在考慮節(jié)能的基礎(chǔ)上，選擇送風(fēng)角度為30°，方艙內(nèi)可以達(dá)到較好的制冷效果，并保證了人員舒適性要求。

圖3 x=0.9 m處溫度分布

圖4 z=4.3 m處溫度分布

圖5和圖6分別給出不同送風(fēng)角度情況下前、后艙人員活動(dòng)區(qū)域處橫截面的速度場(chǎng)及等值線分布情況。當(dāng)送風(fēng)角度為30°時(shí)，在前艙人員活動(dòng)區(qū)域除了送風(fēng)方向的風(fēng)速達(dá)到0.4 m/s以上，其余大部分區(qū)域的風(fēng)速均小于 0.3 m/s，后艙的大部分活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速為 0.1 m/s，滿足舒適性要求。由于空調(diào)安裝高度受限，所以空調(diào)送風(fēng)方向區(qū)域的人員會(huì)有明顯的吹風(fēng)感。當(dāng)送風(fēng)角度為0°時(shí)，前后艙人員活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速達(dá)到0.3 m/s以下，由于空調(diào)水平方向送風(fēng)，高出了人員活動(dòng)的最高區(qū)域，風(fēng)速的大小對(duì)工作區(qū)域的人員基本沒有影響。

圖5 x=0.9 m處速度分布

圖6 z=4.3 m處速度分布

3.1.2 電子設(shè)備熱可靠性分析

圖7和圖8分別給出了不同送風(fēng)角度情況下方艙內(nèi)控制機(jī)柜內(nèi)部的截面溫度分布。兩種送風(fēng)角度情況下，電子設(shè)備周圍溫度均低于60 ℃，都能夠達(dá)到電子設(shè)備熱可靠性的要求。

圖7 x=1.6 m處溫度分布

圖8 z=4.9 m處溫度分布

比較發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)角度為30°時(shí)，前后艙電子設(shè)備周圍的降溫效果明顯較好，高溫區(qū)域明顯較少。由于方艙內(nèi)垂直方向上的溫度本身就存在梯度關(guān)系，所以方艙內(nèi)高溫區(qū)均分布在中上方的電子設(shè)備周圍。由于電子設(shè)備工作中耗散很多熱量，而電子設(shè)備附近空氣循環(huán)較弱，從而導(dǎo)致在電子設(shè)備周圍形成較大的溫差。

圖 9給出了不同送風(fēng)角度情況下方艙內(nèi)控制機(jī)柜內(nèi)部的截面速度分布。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同的送風(fēng)角度對(duì)方艙內(nèi)部的氣體速度基本沒有影響。這是由于機(jī)柜內(nèi)部的氣體與機(jī)柜外氣體循環(huán)較少，況且方艙內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域氣體速度也較小，機(jī)柜外部氣體速度對(duì)機(jī)柜內(nèi)部速度影響不大。機(jī)柜內(nèi)某些電子設(shè)備周圍氣體的速度達(dá)到了0.6 m/s以上，而且局部速度差較大。主要是由于電子設(shè)備耗散了大量熱量，導(dǎo)致局部空氣溫度升高，造成了局部溫差較大，導(dǎo)致強(qiáng)制對(duì)流，從而形成較高的局部速度。

圖9 x=1.6處速度分布

綜合以上分析，此方艙制冷系統(tǒng)可以有效調(diào)節(jié)艙內(nèi)工作環(huán)境，艙內(nèi)熱環(huán)境基本可以滿足人員舒適性和電子設(shè)備正常工作的要求，但是制冷系統(tǒng)對(duì)電子設(shè)備的降溫效率不高。

3.2 電子設(shè)備不工作、前后單臺(tái)空調(diào)工作

通過分析和觀察發(fā)現(xiàn)，由于兩臺(tái)空調(diào)均設(shè)置在前艙，電子設(shè)備均布置在機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜五個(gè)面是封閉的，只有機(jī)柜后面與方艙內(nèi)外區(qū)域相通。前艙由于機(jī)柜較多，空間卻較小，導(dǎo)致機(jī)柜貼近艙壁，造成了機(jī)柜內(nèi)氣體與機(jī)柜外氣體的循環(huán)減弱，達(dá)不到良好的循環(huán)對(duì)流降溫效果。機(jī)柜內(nèi)氣體一部分通過機(jī)柜與艙壁之間的空隙循環(huán)對(duì)流達(dá)到降溫效果，另一部分只能通過機(jī)柜壁面進(jìn)行熱傳導(dǎo)相互換熱。后艙機(jī)柜后面與艙壁距離較大，即使后艙整體溫度較高，但電子設(shè)備也可以達(dá)到良好的循環(huán)對(duì)流換熱效果，并且高溫集中區(qū)域比前艙少。整個(gè)方艙的高溫區(qū)域均集中在機(jī)柜內(nèi)部，而空調(diào)對(duì)機(jī)柜卻沒有進(jìn)行重點(diǎn)降溫，造成機(jī)柜內(nèi)部溫度較高。

在保持電子設(shè)備不工作的同時(shí)，分別對(duì)前后單臺(tái)空調(diào)工作進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分析其能否滿足方艙內(nèi)人員舒適性要求。

圖10 x=0.9 m處溫度分布

圖10分別給出了在電子設(shè)備不工作前提下，前后單臺(tái)空調(diào)工作時(shí)，人員活動(dòng)區(qū)域處橫截面的溫度場(chǎng)及等值線對(duì)比分布情況。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)空調(diào)分別單獨(dú)工作時(shí)，方艙前、后艙人員活動(dòng)區(qū)域處的溫度基本可以控制在 24 ℃以下，完全滿足人員舒適性要求。

綜上所述，當(dāng)電子設(shè)備不工作時(shí)，單臺(tái)空調(diào)完全可以滿足方艙內(nèi)制冷降溫的要求。當(dāng)電子設(shè)備工作，兩臺(tái)空調(diào)同時(shí)降溫，由于方艙的局限性，電子設(shè)備不僅設(shè)置在機(jī)柜內(nèi)，而且與人員活動(dòng)區(qū)域的對(duì)流較弱，導(dǎo)致電子設(shè)備的降溫效果不好。由于電子設(shè)備是方艙內(nèi)的主要熱源，需要重點(diǎn)降溫，因此在單臺(tái)空調(diào)滿足人員舒適性要求的前提下，通過改進(jìn)另一臺(tái)空調(diào)的冷氣流通通路，從而將冷氣直接送入電子機(jī)柜內(nèi)部，加強(qiáng)對(duì)機(jī)柜內(nèi)部的對(duì)流換熱，從而對(duì)電子機(jī)柜內(nèi)部和后艙進(jìn)行重點(diǎn)降溫。

4 結(jié)論與建議

文中通過對(duì)某電子雷達(dá)方艙工作環(huán)境的數(shù)值模擬，在現(xiàn)有方艙制冷系統(tǒng)條件下，可以滿足艙內(nèi)操作人員的舒適性和電子設(shè)備正常工作的溫度要求。通過分析得到以下結(jié)論。

1）在保持送風(fēng)速度和溫度不變的情況下，送風(fēng)角度為30°時(shí)，方艙整體的降溫效果比送風(fēng)角度為0°時(shí)效果要好，但是在送風(fēng)方向區(qū)域的人員會(huì)有明顯的吹風(fēng)感。

2）由于單臺(tái)空調(diào)可以滿足電子設(shè)備不工作時(shí)方艙內(nèi)的降溫效果，因此，可以通過改進(jìn)另一臺(tái)空調(diào)的冷氣流路設(shè)計(jì)，著重加強(qiáng)對(duì)電子設(shè)備周圍區(qū)域的降溫，從而達(dá)到冷氣流量的合理分配，提高電子設(shè)備溫度分布的均勻性，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

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