相控陣雷達液冷系統(tǒng)流量分配的應用研究

張娟 王猛 王旭 劉衛(wèi)剛 任童童

摘要：在采用液冷方式的大型有源相控陣雷達中，要滿足整個陣面溫度一致性，流量分配起著至關重要的作用。文中以流量偏差系數(shù)和不均勻度為評價指標，分別對Z型和U型布置的陣面管網(wǎng)進行了分析，探究了主管管徑、支管管徑、支管間距對流量分配的影響機理。并以某典型案例為研究對象，給出了改變冷板連接方式及添加節(jié)流環(huán)來實現(xiàn)流量均衡分配的優(yōu)化方案，并進行了對比分析。結果表明，兩種優(yōu)化方案均能有效地改善流量分配結果，可為液冷系統(tǒng)的流量分配提供工程設計參考。

關鍵詞：相控陣雷達;流量分配;陣面管網(wǎng);節(jié)流環(huán)

引言

大型有源相控陣雷達陣面上分布有數(shù)量眾多的固態(tài)有源收發(fā)組件和供電電源，這些設備呈分布式布置，且功率密度都很高，給雷達冷卻系統(tǒng)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。隨著熱流密度顯著增加，而結構形式由集中式向分布式過渡，不同單元模塊之間流量需求差異會很大，這就給液冷系統(tǒng)的陣面管網(wǎng)設計帶來了一定的難度。傳統(tǒng)的粗放式設計是采用大管徑、低流速的方法使流量分配相對均勻，保證了單元模塊最苛刻的需求流量，這樣雖然降低了設計難度，但會增大液冷系統(tǒng)規(guī)模，是一種高能耗、低效率的冗余設計[1-3]。因此尋求一種可行、可信的陣面管網(wǎng)多支路流量分配方法，以提高冷卻系統(tǒng)的能效比，顯得尤為迫切。何嘉、Chi-Chuan Wang等人[4-5]以實驗研究與數(shù)值模擬的方法分析了多分支并聯(lián)管道的流量分配問題，但針對具體工程應用問題研究較少。本文運用FloEFD軟件分析影響兩種并聯(lián)管網(wǎng)流量分配均勻度的主要因素，并從工程實例出發(fā)研究相控陣雷達天線液冷管網(wǎng)的流量分配問題。

1 理論基礎及評價指標

1.1 理論基礎

由供熱管網(wǎng)基礎理論可知，管網(wǎng)的流量變化可用以下公式進行表述[6]：

式中：

qz——表示管網(wǎng)的總流量，m3/h;

qi——表示管網(wǎng)中任一支路i的流量，m3/h;

f——表示管網(wǎng)阻力特性系數(shù)S的函數(shù)。

1.2 評價指標

為衡量管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)流體的不均勻程度，引入兩個無量綱參數(shù)，即流經(jīng)某一支路的流量偏差系數(shù)η以及整體流量不均勻度（均方差）W，定義如下：

式中：

qi——表示實際流經(jīng)第i條支路的流量（kg/s）;

qdes——表示各冷板或支管的設計需求流量（kg/s）。

n——表示支管數(shù)量。

2 管網(wǎng)結構流量分配特性分析

2.1 不同管網(wǎng)結構布置

多支路并聯(lián)管路被廣泛應用于相控陣雷達液冷系統(tǒng)中，它主要由分流主管、匯流主管以及數(shù)量有限的并聯(lián)平行支管構成，兩主管間并列布置著多個連接支管，形成一個流體通道。然而，由于多分支并聯(lián)管道結構系統(tǒng)的固有特性和流體在管道中流動的復雜性，致使流體通過各并聯(lián)支管的流量分配不均，且并聯(lián)支管越多，系統(tǒng)流量分配偏差就越大[7]，多管路并聯(lián)大致上分為同程式和異程式兩種連接方式。

2.2 流量分配特性影響因素分析

本節(jié)將在流體沒有外界調(diào)節(jié)的狀態(tài)下，從主管管徑、支管管徑、支管間距和流速等因素對比兩種管網(wǎng)結構對管網(wǎng)流量分配的影響規(guī)律，主管管徑的變化范圍為20～40mm，支管管徑變化范圍為6～16mm，支管間距變化范圍為100～300mm，仿真結果如圖1所示。

由圖2的仿真結果可知，在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，U型管網(wǎng)結構的流量分配性能優(yōu)于Z型。由圖（a）可知，主管管徑較大時，流量分配更均勻，這是因為主管管徑變大時，流體流速減小，沿程阻力損失變小，同時湍流強度減弱，進出口之間的靜壓差減小，故增大主管管徑可提高流量分配均勻性。由圖（b）可知，主管管徑較小時，流量分配更均勻，隨著支管管徑的增大，支管分流對靜壓的影響隨之增大，導致各個支管進口與出口的壓差差異變大，因此減小支管管徑更有利于流量分配。由圖（c）可知，支管間距變化對兩種管網(wǎng)結構流量分配特性的影響規(guī)律不同：Z型管網(wǎng)的流量不均勻度隨支管間距的增加緩慢減小，而U型管網(wǎng)呈現(xiàn)出了完全相反的趨勢，且變化幅度大于Z型管網(wǎng)，這是因為各支管流體在Z型管網(wǎng)中路徑是相同的，對U型管網(wǎng)則是不同的，隨著支管間距的增加，流體沿程阻力損失增大，各支管的靜壓差越來越大，導致各支管流量分配均勻性降低。

3 管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化實例

3.1 結構布局及設計

本節(jié)中的陣面設計實例如圖2所示，該陣面按六邊形結構排列，由12個冷板組成，單個冷板截面為S型結構，冷板與T/R 組件、電源之間安裝導熱墊片，以消除接觸面之間的間隙。整個陣面由四條支路并聯(lián)組成，每條支路上的冷板依次串聯(lián)，支路一與支路四由兩個冷板串聯(lián)而成，支路二與支路三由四個冷板串聯(lián)而成。

3.2 仿真案例與優(yōu)化分析

從1.1節(jié)可知，陣面管網(wǎng)的流量分配與管網(wǎng)的阻力特性系數(shù)S存在著一定的關系，而阻力特性系數(shù)S由沿程流阻與局部流阻決定，當任一支路的沿程流阻或局部流阻發(fā)生變化時，管網(wǎng)流量分配也會發(fā)生變化。陣面管網(wǎng)中各T/R組件表面溫度不一致，即T/R組件表面的最低溫度與最高溫度之差較大，表明該管網(wǎng)的實際流量分配未達到設計要求，說明了實際的陣面管網(wǎng)阻力特性與設計的阻力特性不一致。此時，可以通過調(diào)整該管網(wǎng)的實際阻力特性系數(shù)S大小，使陣面管網(wǎng)的流量分配能夠達到相應的設計值，進而實現(xiàn)整個陣面溫度一致性，此過程即為流量調(diào)節(jié)過程。因此在仿真結果中以流量偏差系數(shù)η和流量分配不均勻度W參數(shù)來衡量支路阻力與流量的匹配程度。本文通過采用改變連接方式與添加節(jié)流環(huán)兩種方案進行管網(wǎng)阻力分配調(diào)節(jié)。

3.2.1連接方式調(diào)節(jié)

連接方式調(diào)節(jié)是通過改變冷板連接方式，使每一支路上的熱耗趨近于相同，以此達到調(diào)節(jié)管網(wǎng)阻力特性的目的。此方法是在原方案的基礎上，將各支路上的冷板數(shù)量重新進行分配，每條支路上分布3塊冷板，從而改善各支管的流量分配需求，使陣面管網(wǎng)中各T/R組件表面溫度趨近于一致，冷板連接方式改變之后的模型如圖3所示。

將調(diào)節(jié)之后液冷管網(wǎng)系統(tǒng)的各支路流量偏差系數(shù)與原方案進行對比，對比結果如圖4所示。由圖可知，將各支管分配的流量與設計的需求流量對比，優(yōu)化后的方案流量偏差系數(shù)在0.0114～0.0176范圍內(nèi)，而原方案的方案流量偏差系數(shù)變化范圍為0.347～0.706，說明改變冷板連接方式可有效改善流量分配結果。

3.2.2節(jié)流環(huán)調(diào)節(jié)

在原方案的基礎上，在支路1與支路4入口和出口處分別增加一個節(jié)流環(huán)（如圖5所示），利用FloEFD軟件中參數(shù)化研究模塊分析節(jié)流環(huán)對陣面管網(wǎng)流量分配的影響規(guī)律。

本次優(yōu)化過程創(chuàng)建28個設計點進行優(yōu)化，節(jié)流環(huán)直徑變化范圍為4～10mm、節(jié)流環(huán)厚度變化范圍為2～8mm。圖6表示節(jié)流環(huán)直徑與厚度對流量不均勻度的影響規(guī)律，由圖可知：當節(jié)流環(huán)直徑為5mm，節(jié)流環(huán)厚度為4mm時，流量不均勻度最小為0.0215，即管網(wǎng)系統(tǒng)流量分配均勻性最優(yōu)。相較于其他直徑的節(jié)流環(huán)，5mm直徑節(jié)流環(huán)的流量分配均勻性較好，而節(jié)流環(huán)厚度對流量不均勻度的影響較小，說明節(jié)流環(huán)厚度對支配流量分配均勻性的作用較弱。節(jié)流環(huán)厚度一定時，節(jié)流環(huán)直徑過大或過小都會增大流量分配不均勻度，造成管網(wǎng)流量分配均勻性變差，因此采用節(jié)流環(huán)調(diào)節(jié)流量均勻性時，應著重考慮節(jié)流環(huán)直徑。

由圖7兩種方案的各支管流量偏差系數(shù)圖可知，將各支管分配的流量與設計的需求流量對比，優(yōu)化后的方案流量偏差系數(shù)在0.036～0.0814范圍內(nèi)，而原方案的方案流量偏差系數(shù)變化范圍為0.347～0.706，說明添加節(jié)流環(huán)亦可有效改善流量分配結果。

4 結束語

本文首先研究了不同設計變量及邊界條件對U型和Z型兩種管網(wǎng)結構流量分配的影響，并進行了機理分析。結果表明：增大主管管徑、減小支管管徑均可提高兩種管網(wǎng)結構的流量分配;對于Z型管網(wǎng)，增大支管間距可改善流量分配，對于U型管網(wǎng)而言，減小支管間距更有利于流量分配結果。以某典型案例為研究對象，將初始模型與兩種優(yōu)化方案的結果進行了對比分析，結果顯示兩種方案均可改善系統(tǒng)管網(wǎng)的流量分配特性，使各支管的流量分配更趨近設計需求，從而實現(xiàn)天線陣面各T/R組件表面溫度的一致性。但是，對大型相控陣天線陣面管網(wǎng)而言，改變冷板連接這種方式使管網(wǎng)連接變得較為混亂，不具備通用性，而節(jié)流環(huán)結構簡單安裝方便，且制造成本較低，便于加工，更具工程實用性。

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