大型電子設(shè)備機架氣流分解方法研究

翁夏

（西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

近年來，綜合化電子設(shè)備機架的規(guī)模越來越大，且其中的熱耗也存在不斷上升的趨勢。由于平臺的限制和可靠性的要求，這一類的機架越來越多地采用穿通強迫風(fēng)冷的散熱方式：即使用自帶風(fēng)機，將強迫風(fēng)引至機架內(nèi)部的模塊表面，對各模塊進行冷卻。由于機架設(shè)備總體的供給風(fēng)與各模塊接受到的冷卻風(fēng)之間存在強耦合的關(guān)系，因此設(shè)備總體難以將分解后的供風(fēng)邊界條件提供給模塊研發(fā)團隊，從而導(dǎo)致在研發(fā)過程中，模塊熱設(shè)計存在多輪迭代的現(xiàn)象。文中將對設(shè)備供給風(fēng)和模塊接受風(fēng)之間的關(guān)聯(lián)進行解耦分析，并通過研究得到一種工程化的氣流分解方法。

對于大型機架簡化分析的問題，Jeffrey Rambo等[1]從數(shù)值分析的角度，給出了機架級的緊湊模型可有效描述全尺寸跨尺度數(shù)據(jù)中心的結(jié)論。針對狹窄通道的換熱問題，已有部分學(xué)者對此進行了相關(guān)研究。王增輝等[2]擬合得到了過熱氣在環(huán)形狹縫中的換熱公式。Liu Jiazeng 等[3]在方形通道內(nèi)對蒸汽的傳熱進行了研究，得到了半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。Tae Seon Park[4]采用了數(shù)值模擬的方式，研究了不同板間距對傾斜狀態(tài)平板換熱的影響。另外，Shricant D (Londhe)等[5]和Turkoglu H 等[6]分別針對分布熱源的豎直通道展開了研究，闡述了熱輻射對混合對流的影響，得到了換熱效果與Re 數(shù)、Gr 數(shù)的關(guān)聯(lián)趨勢。Omer F Can[7]使用數(shù)值模擬的方式，給出了流體流經(jīng)通道非圓形障礙物的關(guān)聯(lián)式。Eric Salcedo 等[8]使用二維數(shù)值模擬的方式，研究了多種物理參數(shù)的變化對混合對流傳熱的影響。

1 分解方法與原理

由于在大型電子設(shè)備機架中，不利于直接進行模塊級的測試和試驗（尤其是研發(fā)初期的測試），因此應(yīng)設(shè)計一種小型測試夾具，并使得被測模塊在該夾具中受到與放置在大型機架中相同的冷卻效果，如圖1所示。

圖1 分解示意

根據(jù)相似原理，凡是彼此相似的現(xiàn)象，都有一個十分重要的特性，即描寫該現(xiàn)象的同名特征數(shù)（即準(zhǔn)則數(shù)）對應(yīng)相等[9]。根據(jù)牛頓冷卻公式，對流換熱的熱流密度可表達(dá)為：

式中：h 為對流換熱系數(shù)；Δt 為傳熱溫差。

Nu 數(shù)（努賽爾數(shù)）的定義為：

式中：l 為特征長度；λ 為流體導(dǎo)熱系數(shù)。因此，相似對流傳熱現(xiàn)象的Nu 數(shù)應(yīng)相等。

在大型電子設(shè)備機架和小型風(fēng)冷測試夾具中，冷卻空氣流動的路徑可近似為狹縫中的強迫對流。Novikov P A 等[10]提出了狹縫中湍流條件下的換熱關(guān)聯(lián)式，當(dāng)Re＞5 600 時，有：

式中：Re 為雷諾數(shù)；Kl為入口段修正系數(shù)，其數(shù)值根據(jù)表1 進行確定（當(dāng)Re 在5 600～32 000 之間時）。

由此，只要保證分解夾具中被測模塊兩側(cè)冷卻風(fēng)的Nu 數(shù)與大型機架中相等，則兩者具有相同的傳熱特性。由于Kl是常數(shù)，因此為了保證相同的Nu數(shù)，必須保證Re 數(shù)相等。因此，需要保證狹縫中的空氣流速和狹縫特征長度相等。由于氣流狹縫是由被測模塊與其附近模塊的間隙共同形成的，在間隙寬度相等的情況下，只要保證分解夾具和大型機架模塊間的空氣流速相等（在截面積固定的前提下，即保證間隙中的流量相等），即可保證兩者的換熱效果相當(dāng)。

表1 Kl 與狹縫尺寸的關(guān)聯(lián)

大型風(fēng)冷機架在設(shè)計上往往采取靜壓腔的方式進行流量分配，各流道的流量較為一致。因此，設(shè)大型機架具有n1條風(fēng)道，分解夾具具有n2條風(fēng)道，則分解夾具需求的風(fēng)量為：

2 流量計算

2.1 測試接口設(shè)計

以某大型綜合機架作為研究對象，為了對比各種測試接口的異同，分別設(shè)計了常規(guī)、漸擴和漸縮三種結(jié)構(gòu)的接口，如圖2 所示。接口的一段與大型機架的出風(fēng)口連接，另一端與流量計連接。

2.2 測試接口流動仿真

使用FloTHERM 軟件，采用有限體積法（FVM）對包含模塊、風(fēng)機組和測試接頭的大型機架進行流動仿真。在有限體積法中，將計算的區(qū)域劃分成一系列控制容積，每個控制容積都有一個節(jié)點作代表。通過將守恒型的控制方程對控制容積做積分來導(dǎo)出離散方程[11]。有限體積法主要通過三大守恒定律來計算網(wǎng)格中的各物理量。

1）質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）：

2）動量守恒方程（Navier-Stokes 方程）：

圖2 測試接口

u-動量方程

v-動量方程

w-動量方程

3）能量守恒方程：

本仿真采用Automatic Algebraic 湍流模型進行計算。該模型屬零方程Reynolds 渦粘模型。Automatic Algebraic 湍流模型由FloTHERM 軟件自動計算湍動黏度。軟件會計算每一個網(wǎng)格內(nèi)的特征長度，湍動黏度取決于網(wǎng)格內(nèi)的特征長度和速度[12]。

該機架共含有17 條流道，采用了6 臺J70FZW522-40G 型風(fēng)機進行散熱。仿真CFD 模型如圖3 所示，單臺風(fēng)機曲線如圖4 所示。

圖3 仿真CFD 模型

圖4 J70FZW522-40G 型風(fēng)機P-Q 曲線

流量仿真結(jié)果見表2。安裝常規(guī)測試接口時，總流量為394m3/h；安裝漸擴測試接口之后，總流量為408 m3/s；安裝漸縮測試接口之后，總流量為396m3/s。根據(jù)仿真結(jié)果，采用流量衰減相對較小的漸擴測試接口進行測試。

2.3 實際流量推算

按照局部壓力損失公式[13]，該測試接頭的局部流阻為：

表2 風(fēng)機工作流量

突然收窄處的局部流阻為（收縮截面面積比A0/A1=0.022，ζ=0.49）：

因此，有：

代入本案例中的數(shù)據(jù)，可得Δpc=81 Pa。6 臺J70FZW522-40G 型風(fēng)機并聯(lián)后的壓力-流量曲線如圖5 所示。通過測試，得出風(fēng)量，將其標(biāo)在曲線上可得出壓力p1,T。由于測試系統(tǒng)比實際系統(tǒng)多出了測試夾具的流阻 Δpc，因此可得實際流阻為：p1=p1,T-Δpc。將p1標(biāo)注在曲線上，即可得到實際流量= 583 m3/h。

圖5 6 臺J70FZW522-40G 型風(fēng)機并聯(lián)后的壓力-流量曲線

3 分解夾具設(shè)計及計算

在本案例中，采用具有4 條流道的分解夾具。根據(jù)式（4），可得到分解夾具所需要的流量= 137 m3/h。選用兩臺J70FZW510-40G 型風(fēng)機，對分解夾具進行仿真。在此過程中，通過對流道的優(yōu)化設(shè)計，調(diào)整分解夾具的風(fēng)量，使其接近于2V˙。通過流動仿真，可得分解夾具中各風(fēng)機的工作點見表3。

表3 分解夾具中各風(fēng)機工作點

此時，分解夾具中的工作流量與實際流量幾無差異，可以認(rèn)為兩者中的被測模塊周圍的對流相似。由于兩者的傳熱效果相同，可以使用分解夾具來測試被測模塊的傳熱特性。

4 結(jié)語

文中通過相似對流的方式，對大型電子設(shè)備機架的風(fēng)冷氣流進行了形式和數(shù)值上的分解，使得實際工程中的模塊熱測試工作得到了簡化。簡化的主要流程為：將包含了測試接口的大型機架進行流動仿真，選擇流阻相對較小的接口進行測試；在大型機架上加裝測試接口，對其工作流量進行測試；計算測試接口的流阻；在風(fēng)機曲線上得到實際機架的流阻與流量；計算分解夾具的工作流量；對分解夾具進行優(yōu)化設(shè)計，通過迭代仿真的方式，確定最接近于其設(shè)計工作流量的結(jié)構(gòu)形式；將被測模塊安裝在分解夾具中，即可得到與大型機架相同的傳熱環(huán)境。簡化后，各模塊研發(fā)團隊可使用分解夾具對模塊進行熱測試，并得到與在大型機架中進行測試相似的結(jié)果。