機(jī)載電子散熱設(shè)備氣流分布均勻性研究

范濤峰 任童 彭孝天 馮詩(shī)愚

摘要：長(zhǎng)流程的散熱設(shè)備經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)流量分配不均勻的問題，導(dǎo)致散熱設(shè)備各處的冷卻效果產(chǎn)生較大差異。利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對(duì)一個(gè)采用孔板送風(fēng)的機(jī)載電子散熱設(shè)備進(jìn)行了模擬，分析了不同孔徑、開孔數(shù)及流量對(duì)出口均勻度的影響。結(jié)果顯示開孔數(shù)對(duì)均勻度的影響大于孔徑，流量改變對(duì)均勻度影響不大。對(duì)長(zhǎng)流程孔板形式出口的散熱設(shè)備設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)載電子設(shè)備；均勻度；孔板；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：V221文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.08.007

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程

隨著民用飛行技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載電子設(shè)備的數(shù)量和種類不斷增加。高溫失效是機(jī)載電子設(shè)備的主要失效形式，試驗(yàn)表明在70～80℃的水平上，溫度每上升1°C，器件可靠性下降5%[1-2]。機(jī)載電子設(shè)備的發(fā)展出現(xiàn)小型化、高性能的發(fā)展趨勢(shì)，電子設(shè)備對(duì)于散熱的要求越來(lái)越高，常見的有液冷、風(fēng)冷和蒸發(fā)循環(huán)等幾種方式，其中蒸發(fā)循環(huán)大多用于對(duì)雷達(dá)等高能耗設(shè)備散熱，目前使用并不普遍[3-4]。

受工作環(huán)境限制，液體冷卻通常需配備復(fù)雜系統(tǒng)，且飛機(jī)加速度及傾斜角度改變均會(huì)影響穩(wěn)定性[5]，因此并未得到廣泛應(yīng)用。風(fēng)冷仍是機(jī)載電子設(shè)備使用最多的散熱方式，其可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩種，后者更為常用。隨著電子設(shè)備熱負(fù)荷進(jìn)一步增加，可根據(jù)電子設(shè)備實(shí)際外形設(shè)計(jì)散熱設(shè)備提高裝置散熱性能[6]。

通過試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)試不同出口形式的散熱設(shè)備的性能雖然直觀可靠，但也會(huì)帶來(lái)周期長(zhǎng)、成本高的問題，在試驗(yàn)前使用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)可克服上述不足。利用CFD方法對(duì)機(jī)載電子設(shè)備散熱的研究很多，劉曉紅等利用CFD技術(shù)分析了導(dǎo)冷板厚度對(duì)于密閉機(jī)箱散熱性能的影響[7]；趙亮等研究了一種應(yīng)用泡沫金屬新材料的換熱器[8]；李艷娜分析了散熱器分布位置的不同對(duì)散熱性能的影響[9]。這些研究涵蓋了散熱器結(jié)構(gòu)、位置和材料，但長(zhǎng)流程散熱設(shè)備經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)流量分布不均勻的問題，這會(huì)導(dǎo)致散熱設(shè)備各處的冷卻效果產(chǎn)生較大差異[10]。

此外，上述研究未涉及氣流分布均勻程度對(duì)散熱效果的影響。朱恒義等利用CFD技術(shù)分析了密閉機(jī)箱不同位置風(fēng)道的流量[11]，并結(jié)合流量分配了合理的熱負(fù)荷；劉巍等研究了不同通風(fēng)口形狀對(duì)散熱性能的影響，這兩者的研究對(duì)象均為風(fēng)道，未考慮出口形式為孔板這種情況[12]。

本文對(duì)一個(gè)采用孔板出風(fēng)口的民用飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)施散熱設(shè)備進(jìn)行了CFD仿真，定義了一個(gè)均勻度參數(shù)，模擬了不同開孔數(shù)目、孔徑、進(jìn)口流量下各個(gè)出口流量分布的均勻性。

1物理模型介紹與簡(jiǎn)化

研究對(duì)象為位于某民用飛機(jī)前部與中部設(shè)備艙內(nèi)的EE艙設(shè)備架，主要電子設(shè)備安裝在設(shè)備架上，設(shè)備架內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)安裝在設(shè)備架上的電子設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)冷卻，共有6個(gè)冷卻單元。設(shè)備鼓風(fēng)路徑如圖1所示，設(shè)備架風(fēng)冷系統(tǒng)分為鼓風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)兩部分。每個(gè)設(shè)備架有一個(gè)鼓風(fēng)接口，鼓風(fēng)接口與電子設(shè)備通風(fēng)系統(tǒng)的鼓風(fēng)管道相連，冷卻空氣通過設(shè)備架鼓風(fēng)接頭進(jìn)入設(shè)備架側(cè)部的風(fēng)腔，再由風(fēng)腔進(jìn)入設(shè)備架每一層的鼓風(fēng)風(fēng)道，再流過流量調(diào)節(jié)孔板冷卻電子設(shè)備。冷卻后的熱空氣通過設(shè)備頂部散熱孔進(jìn)入排風(fēng)風(fēng)道，由排風(fēng)管道流出。整個(gè)設(shè)備的計(jì)算量太大，本文選取圖2紅色框內(nèi)的鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口單元為研究對(duì)象。

氣流從左側(cè)的矩形入口流入，經(jīng)過空腔由三個(gè)多孔板流出。簡(jiǎn)化主要包括了以下三個(gè)部分的內(nèi)容。

（1）鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口的簡(jiǎn)化

由圖1可見，鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口橫截面為圓形，實(shí)際工作中空氣從鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口流入，經(jīng)矩形通道轉(zhuǎn)彎由多孔板流出，所以進(jìn)口形狀對(duì)于多孔板的氣流分配的影響不大。通常劃分網(wǎng)格時(shí)需利用多邊形擬合幾何模型，若將進(jìn)口設(shè)置為圓形會(huì)增加網(wǎng)格數(shù)目，降低計(jì)算效率，故簡(jiǎn)化為矩形進(jìn)口。

（2）通風(fēng)路徑的簡(jiǎn)化

為了縮短計(jì)算時(shí)間，未考慮上部熱空氣流動(dòng)，僅考慮冷空氣在多孔板的分布，省略了對(duì)計(jì)算影響不大的結(jié)構(gòu)。腔體壁度為2mm，與實(shí)際設(shè)備保持一致。

（3）多孔板的簡(jiǎn)化

由于多孔板的孔的數(shù)目較多，且排列有序，樣式統(tǒng)一。若一個(gè)個(gè)畫出會(huì)增加網(wǎng)格數(shù)目?？蓪⒍嗫装逶O(shè)置為多孔介質(zhì)，利用FLUENT中的多孔介質(zhì)模型解決。

2計(jì)算方法與仿真模型的建立

多孔模型的原理為將固體區(qū)域以阻力形式添加在流動(dòng)方程中，相當(dāng)于在流動(dòng)方程中增加一個(gè)源項(xiàng)[13]。流動(dòng)阻力主要由黏性阻力和慣性阻力兩部分組成，阻力由孔徑、開孔數(shù)、開孔率這三個(gè)因素確定。慣性阻力系數(shù)、黏性阻力系數(shù)與孔隙率、開孔直徑的關(guān)系由以下兩個(gè)公式給出：

選擇50萬(wàn)、100萬(wàn)和200萬(wàn)三套網(wǎng)格計(jì)算，觀察不同網(wǎng)格數(shù)下氣體流速。在孔徑為2.5mm、開孔數(shù)為9的情況下，網(wǎng)格數(shù)目為50萬(wàn)時(shí)，流體域內(nèi)的最大流速為71m/s，網(wǎng)格數(shù)目為100萬(wàn)時(shí)，流體域內(nèi)的最大流速為70.8m/s，與網(wǎng)格數(shù)目為200萬(wàn)保持一致。考慮到計(jì)算的準(zhǔn)確性與計(jì)算效率，選擇100萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1孔徑的影響

圖4為開孔數(shù)為9個(gè)，三組孔徑分別為2.5mm、5mm和7.5mm時(shí)的氣流速度分布云圖。從圖中可見，孔徑為2.5mm時(shí)，流體域內(nèi)流動(dòng)的最大速度為73.6m/s，出口流速隨著離進(jìn)口距離的增加而降低。隨著孔徑的進(jìn)一步擴(kuò)大，流動(dòng)的最大速度沒有明顯變化。

把離進(jìn)口最近的孔板出口命名為出口一，把離近口最遠(yuǎn)的孔板出口命名為出口三，如圖3所示。從圖5可以看出，出口三的均勻程度受孔徑變化的影響最大，出口一的均勻程度受孔板的影響最小，出口二的均勻度在1附近波動(dòng)。當(dāng)孔徑為5mm時(shí)，三個(gè)出口的均勻度最接近1，孔板流量分配最均勻。當(dāng)出口孔徑較大，氣體大量從出口一流出，則后部流出的流體較少，影響了整體均勻度。當(dāng)出口孔徑較小時(shí)，流體無(wú)法及時(shí)從離進(jìn)口較近的出口流出，積壓在后部出口，也影響了整體均勻度。

3.2孔數(shù)的影響

在孔徑為2.5mm時(shí)，設(shè)置三組。圖6為孔徑為2.5mm時(shí)，開孔數(shù)目分別為12、16和25個(gè)時(shí)氣流速度分布云圖。從圖中可見，在開孔數(shù)目為12個(gè)時(shí)，氣流最大速度為69.6m/s，出口流速離進(jìn)口距離增加而降低，且變化較為劇烈。從圖7可看出，開孔數(shù)目的變化對(duì)三個(gè)出口均勻度的影響要大于開孔孔徑對(duì)均勻程度的影響。這是因?yàn)殚_孔數(shù)目相比孔徑對(duì)于有效出口面積的影響更大。此外還可以發(fā)現(xiàn)，孔數(shù)為12個(gè)時(shí)的均勻程度最差，孔數(shù)為16個(gè)時(shí)，出口一、出口三的均勻程度接近孔數(shù)為12個(gè)時(shí)，但出口二的均勻程度有所上升。孔數(shù)為25個(gè)時(shí)，出口二的均勻程度較好，但出口一、出口三的均勻度有所偏移。顯然，孔數(shù)為16和25個(gè)時(shí)均勻度相近，均優(yōu)于孔數(shù)為12個(gè)。

3.3流量的影響

圖8給出了孔徑2.5mm、開孔數(shù)為25的條件下，進(jìn)口流速分別為30m/s、50m/s和70m/s時(shí)的氣流速度分布云圖。從圖9可以看出，相較于孔數(shù)以及孔徑，流速對(duì)于三個(gè)出口均勻度的變化并不明顯。進(jìn)口流速為30m/s時(shí)，三個(gè)出口的均勻度最接近1，其余流速下均勻度沒有明顯差異。

4結(jié)論

長(zhǎng)流程的機(jī)載電子散熱設(shè)備各個(gè)出口的均勻程度對(duì)其冷卻性能有重要影響，為了提高出口的均勻程度，本文通過CFD方法對(duì)一個(gè)孔板出口的機(jī)載電子散熱設(shè)備進(jìn)行了模擬，討論了不同開孔數(shù)目、不同開孔半徑下的均勻度，可以得到以下結(jié)論：

（1）開孔數(shù)目改變對(duì)于氣流均勻度影響最大，進(jìn)口流速對(duì)于氣流均勻程度的影響最小。

（2）開孔數(shù)目會(huì)影響氣流出口的均勻程度?？讖?.5mm時(shí)，開孔數(shù)目為16的出口均勻度最接近1。

（3）孔徑與均勻度同樣不是線性關(guān)系。開孔數(shù)目為9時(shí)，孔徑5mm時(shí)出口均勻度最接近1。

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作者簡(jiǎn)介

范濤峰（1980-）男，碩士，助理研究員。主要研究方向：飛行器環(huán)境控制、流體力學(xué)、傳熱與傳質(zhì)等方面的試驗(yàn)研究。Tel：025-84892153

E-mail：fantaofeng@nuaa.edu.cn

馮詩(shī)愚（19740-）男，博士，副教授。主要研究方向：飛行器環(huán)境控制、飛行器燃油系統(tǒng)、傳熱與傳質(zhì)等方面的理論與試驗(yàn)研究。

Tel：025-84892105

E-mail：shiyuf@nuaa.edu.cn

Study on Air Distribution Uniformity of Airborne Electronic Cooling Equipment

Fan Taofeng*，Ren Tong，Peng Xiaotian，F(xiàn)eng Shiyu

Key Laboratory of Aircraft Environmental Control and Life Support Industry and Information Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Abstract： Non-uniform flow distribution often occurs in long-flow cooling equipment， which causes large differences in the cooling effect of cooling equipment. A computational fluid dynamics （CFD） simulation was performed on an airborne electronic heat dissipation device using orifice air supply， and the effects of different apertures， opening numbers， and flow rates on outlet uniformity were analyzed. The results show that the number of openings has a greater effect on the uniformity than the diameter of the holes， and the change in flow rate has little effect on the uniformity. It has a certain guiding role in the design of the heat dissipation equipment of the long-flow orifice plate outlet.

Key Words： airborne electronic equipment； uniformity； orifice plate； numerical simulation