基于FloEFD的某機(jī)載液冷機(jī)架流阻研究

白宗旭 張銅 潘威

摘 ?要：在機(jī)載液冷設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，機(jī)架流阻特性對載機(jī)環(huán)控系統(tǒng)流量分配至關(guān)重要。文章以仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對某機(jī)載液冷機(jī)架進(jìn)行了流阻特性分析研究。對比分析了液冷機(jī)架流阻仿真結(jié)果與測試結(jié)果，二者偏差較小，驗(yàn)證了機(jī)架流阻模型及方法的可靠性;其次，在同一冷卻介質(zhì)的前提下，對比分析了影響液冷機(jī)架流阻的兩個重要因素——流量及溫度。文章中結(jié)果可為載機(jī)環(huán)控系統(tǒng)流阻預(yù)分配提供重要依據(jù)，同時可作為液冷機(jī)架設(shè)計(jì)及流阻測試的重要參考，提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約試驗(yàn)資源。

關(guān)鍵詞：液冷;流阻;有限元分析;FloEFD

中圖分類號：V245.3+43 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）15-0007-03

Abstract： In the structural design of liquid cooling in airbome equipment， the flow resistance characteristics of the rack are very important to the flow distribution of the airplane. In this paper， the flow resistance characteristics of an airborne liquid cooling rack are analyzed by simulation and experiment. The simulation results of the flow resistance of the liquid cooling rack are compared and analyzed， and the deviation between the two is small which proves the reliability of the model and method of the flow resistance. Secondly， under the premise of the same cooling medium， detailed analysis of two important factors of Flow Resistance of Liquid-cooling Rack， which includes includs the flow rate and the temperature of cooling medium. The results of this paper can provide reference for the flow pre-distribution of the aircraft environmental control system. It can also be used as an important reference for the design of liquid cooling rack and flow resistance test， which greatly improves the design efficiency and saves the test resources.

Keywords： liquid cooling; flow resistance; finite element analysis; FloEFD

引言

隨著電子設(shè)備的不斷向微小型化發(fā)展，元器件的熱流密度也越來越高，液冷機(jī)架由于具有集成度高、散熱能力大，模塊標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，已成為機(jī)載液冷散熱系統(tǒng)的重要組成部分。液冷機(jī)架的流阻特性是機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)指標(biāo)之一，在設(shè)計(jì)上必須保證其流阻與載機(jī)環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流阻分配值相匹配[1]。如果機(jī)架流阻過大，將導(dǎo)致通過機(jī)架的冷卻液達(dá)不到設(shè)計(jì)值，最終可能導(dǎo)致電子設(shè)備的過熱失效。

目前，介紹載機(jī)環(huán)控系統(tǒng)、流量分配計(jì)算理論、液冷介質(zhì)熱性能及液冷技術(shù)進(jìn)展的文獻(xiàn)較多[2-4]，主要側(cè)重于電子設(shè)備液冷技術(shù)理論、進(jìn)展及趨勢的研究，但針對機(jī)載電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中機(jī)架流阻設(shè)計(jì)方法的研究較少。為了研究液冷機(jī)架在不同流量、溫度等條件下的流阻特性，本文設(shè)計(jì)機(jī)架的液冷流道結(jié)構(gòu)，通過仿真計(jì)算，獲得了機(jī)架在不同流量和溫度條件下的流阻，進(jìn)而對機(jī)架流阻進(jìn)行了試驗(yàn)測試，對設(shè)計(jì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，對后期液冷機(jī)架設(shè)計(jì)及預(yù)估具有借鑒意義。

1 機(jī)架流道設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

1.1 機(jī)架液冷流道設(shè)計(jì)

某機(jī)載液冷機(jī)架如圖1所示，設(shè)計(jì)最大冷卻液流量為7L/min，最大供液壓力為0.6MPa，要求冷卻液溫度為20℃時設(shè)備流阻不大于240kPa。

液冷機(jī)架內(nèi)模塊分上、下兩層安裝，為滿足模塊散熱需求，整個機(jī)架采用強(qiáng)迫液冷的散熱方式帶走模塊產(chǎn)生的熱量。機(jī)架采用整體焊接結(jié)構(gòu)，由側(cè)面的分流板及上、中、下三塊冷板組成，液冷入口與出口安裝在機(jī)架右側(cè)分流板上（圖2）。

經(jīng)過流道優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)保證在給定供液流量下，三層冷板的流速、壓力基本一致，在滿足換熱需求的前提下，盡可能降低流道的流阻。

1.2 冷卻液選擇

冷卻液采用65#冷卻液[5]，入口的溫度如表1所示，由于只分析機(jī)架的流動特性，因此忽略機(jī)架實(shí)際工作中冷卻液出口溫升對流阻的影響。65#冷卻液的物理參數(shù)會隨溫度變化而變化，根據(jù)對特定溫度下的參數(shù)擬合了冷卻液性能變化曲線[6]，由此獲得在不同溫度下的物性參數(shù)如表1所示。

1.3 流阻測試試驗(yàn)方法

為了達(dá)到試驗(yàn)臺精確控溫目的，通過加熱溫控系統(tǒng)對65#冷卻液加熱，對于低溫測試環(huán)境，通過制冷機(jī)組冷卻循環(huán)內(nèi)介質(zhì)，達(dá)到低溫試驗(yàn)的溫度要求。流阻特性試驗(yàn)臺上設(shè)置了多個溫度點(diǎn)和壓力點(diǎn)，準(zhǔn)確采集設(shè)備的端口溫度和壓力，通過高精度的液體流量計(jì)采集液體流量。試驗(yàn)方法如圖3所示，通過可調(diào)溫液冷源及傳感器控制進(jìn)入機(jī)架的冷卻液溫度及流量。

調(diào)節(jié)流量范圍3.5L/min～14.5L/min，設(shè)備入口溫度按-25℃，0℃，20℃三個溫度點(diǎn)，在試驗(yàn)流量范圍內(nèi)，每一溫度條件下取5個穩(wěn)定的工作測量點(diǎn)。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 流量分配分析

流量分配分析是通過優(yōu)化流道的形狀與尺寸，使進(jìn)入機(jī)架中各層冷板的冷卻液流量基本相等，以達(dá)到機(jī)架整體最佳的散熱效果。通過流道的速度跡線圖可以直觀的看出各層冷板之間的速度差異，如圖4所示，各層冷板的速度分布均勻。仿真結(jié)果顯示，在供液流量為3.6L/min時，經(jīng)過流道優(yōu)化設(shè)計(jì)后，冷板上、中、下三層流量分別為1.13L/min，1.19L/min，1.19L/min，冷板之間的最大流量偏差僅為5%，機(jī)架內(nèi)冷板之間流量分配基本一致。

由于機(jī)架為焊接結(jié)構(gòu)，內(nèi)部流道復(fù)雜，無法在試驗(yàn)中直接測試通過各層冷板的流量。因此，對于機(jī)架內(nèi)的流量分配及優(yōu)化，只能在設(shè)計(jì)中根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化風(fēng)流板及冷板結(jié)構(gòu)，使各流道的流阻接近一致，同時滿足機(jī)架的總流阻要求。

2.2 流阻對比分析

機(jī)架流阻為冷卻液通過機(jī)架前后的壓力損失，機(jī)架的流阻由機(jī)架冷板本身流阻（△P1）及快卸自封接頭流阻（△P2）兩部分組成，在仿真模型中，僅考慮了機(jī)架本身的流阻。

實(shí)際測試時流阻包含出、入兩個快卸自封接頭流阻，壓力測試點(diǎn)的安裝位置距機(jī)架自封接頭進(jìn)、出口會有一定距離，且受加工及裝配工藝限制，這些因素造成實(shí)測機(jī)架流阻將略大于計(jì)算值，即仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果之間的差值。其中，快卸自封接頭的流阻是仿真和測試結(jié)果差值的主要原因。但由于快卸自封接頭的流阻隨溫度變化比機(jī)架流阻變化較小，因此隨著溫度下降，快卸自封接頭的流阻在總流阻的占比逐漸下降。

仿真與測試結(jié)果顯示，當(dāng)環(huán)境溫度T=20℃時，12.2L/min時的流阻為110.2kPa，但在環(huán)境溫度T=-25℃時，相同流量下的流阻約為336.7kPa，達(dá)到前者流阻的三倍左右。即隨著冷卻液溫度下降，機(jī)架流阻急劇增加。分析可知，其原因?yàn)槔鋮s液動力粘度隨溫度降低劇增，造成機(jī)架內(nèi)局部阻力損失和沿程阻力損失的增大。因此，在低溫供液條件下工作的機(jī)架，其成倍增加的流阻對載機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的供液壓力要求更高。

仿真及試驗(yàn)結(jié)果可知，65#冷卻液在低溫條件下會造成系統(tǒng)流阻急劇增大，由此可能造成系統(tǒng)供液不足及散熱問題。因此，合理選用液冷機(jī)架的冷卻介質(zhì)類型、快卸自封接頭類型、優(yōu)化機(jī)架流道設(shè)計(jì)等對降低機(jī)架流阻至關(guān)重要。從而改善機(jī)架的整體散熱能力，同時降低載機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的供液負(fù)荷，該結(jié)果可作為液冷機(jī)架類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參考。

3 結(jié)束語

本文以某機(jī)載液冷機(jī)架為研究對象，利用FloEFD軟件進(jìn)行典型機(jī)架流阻仿真以及試驗(yàn)驗(yàn)證的全過程，驗(yàn)證了FloEFD在液冷設(shè)計(jì)中的重要性。在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化機(jī)架的流量分配、優(yōu)化流阻，進(jìn)而可以提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約設(shè)計(jì)及試驗(yàn)資源。

此外，本文針對電子產(chǎn)品中典型液冷機(jī)架的流阻設(shè)計(jì)的方法和結(jié)果，對同類液冷機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]尹本浩，蔣威威，何冰，等.液冷電子設(shè)備的冷板流阻匹配研究[J].電子機(jī)械工程，2013，29（2）：1-4.

[2]劉仲宇，田素林，李明.吊艙環(huán)控系統(tǒng)的多級流模型故障診斷技術(shù)研究[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（4）：382-386.

[3]趙亮，田灃，楊明明，等.機(jī)載液冷電子設(shè)備流量分配計(jì)算模型研究[J].航空計(jì)算技術(shù)，2015，45（5）：132-134.

[4]關(guān)宏山.某相控陣?yán)走_(dá)液冷流量分配系統(tǒng)研究[J].電子機(jī)械工程，2011，27（4）：9-12.

[5]張躍毅.GJB 6100-2007軍用航空冷卻液規(guī)范[S].北京：中國人民解放軍總裝備部，2007.

[6]汪楠，陳桂珍.工程流體力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.