基于CFD的在役飛機電接觸致熱效應計算方法

于向陽，冉澳，崔璨，徐寧，盧玲

1. 海軍航空大學青島校區(qū)，山東 青島 266041

2. 武警工程大學 信息工程學院，陜西 西安 710086

隨著現(xiàn)代航空裝備自動化和電氣化水平的不斷提升，電接觸在電氣設備及電力電子器件中廣泛存在且“控制中樞”地位彰顯[1]。近年來，海軍航空裝備工作環(huán)境由岸基走向艦基，其高溫、高濕、高鹽的海洋環(huán)境特點顯著，電接觸部位電腐蝕、熱老化等隱性故障隨之而生，并嚴重制約著系統(tǒng)的運行質(zhì)量和安全。飛機各系統(tǒng)電子元件的發(fā)展呈現(xiàn)小型化、功耗高的趨勢，各個組成部分熱流量密度急劇上升。相關學者[2-3]認為，隨著溫度的增加，電接觸損壞電子設備和電子設備電接觸失效概率的上升趨勢大幅增加，在環(huán)境溫度每升高10℃時，相關電子器件失效率升高為原來2倍以上。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查，電子設備有55%的失效率是溫度超過相關的規(guī)定值導致的[4]；過高的溫升會迅速引起金屬表面的電接觸點發(fā)生軟化，甚至使得金屬發(fā)生沸騰，造成金屬界面迅速地熔結，相互之間發(fā)生導體材料遷移，加速電接觸連接磨損、氧化[5]。

此外，因為電接觸溫度升高，接觸電阻增大，更多的熱量就會因為更大的接觸電阻而產(chǎn)生，這種循環(huán)對于系統(tǒng)的安全性與可靠性是致命的，給飛機的安全起降帶來了巨大的安全隱患。電氣系統(tǒng)的相關研究數(shù)據(jù)顯示，電接觸失效的因素有很多，但是80%以至更多的因素是電接觸在觸頭處的接觸電阻過大；電接觸的觸點因為塵土或者液體侵入，以及包裹的絕緣材料破損等原因造成電接觸發(fā)熱，進一步導致電接觸觸點熔焊；其中溫度引起故障的百分比達到了40%，占比最大，也表現(xiàn)了溫度在引起電接觸故障，影響電接觸可靠性方面扮演者著重要的作用[4-9]。

電接觸致熱效應是影響在役飛機電接觸可靠性的一個重要因素，一個可行的計算電接觸致熱的方法，使我們掌握電接觸熱效應空間分布規(guī)律。國內(nèi)外相關領域的研究大多集中于實驗方法，通過安裝傳感器或紅外相機等非接觸的方法[10]，獲取表面流場分布，分析電接觸致熱與外部環(huán)境的關系。但傳感器的存在會破壞電接觸周圍的流場分布，非接觸式的溫度獲取方法受可達性的限制，對于很多處于封閉空間內(nèi)部的電接觸熱場分布無法直接檢測。而接觸器等大功率電氣控制器件的電接觸部位，往往存在于非金屬材料構成的封閉體中，其致熱溫度場分布更加復雜，電接觸致熱導致的溫升對電接觸及系統(tǒng)可靠性有著更為顯著的影響[11-12]。在役飛機電接觸型號、數(shù)量繁多，分布范圍廣，且實際工況中不能單獨存在，往往作為器件的一部分來發(fā)揮功效?？紤]到長時間工作的可靠性，大功率接觸器件多以雙接觸體橋式結構存在，同時滿足結構適應性需求，含有電接觸部位的接觸體，往往外形復雜，加之外部封閉體的存在，使得其環(huán)境耦合致熱流場形成較為復雜的三維分布態(tài)勢[13-14]。本文將計算流體力學（computational fluid dynamics, CFD）與實驗方法相結合，針對封閉體-電接觸致熱效應，分析其溫度流場分布，探究CFD方法的影響因素并驗證其有效性，為電接觸可靠性分析及失效預先判斷開展有益探索。

1 圓柱固定面接觸模型致熱流場計算

圓柱固定面接觸作為大功率接觸器件的基本結構，其形成的致熱流場可以作為復雜接觸體的研究基礎。應用ANSYS的spaceclim模塊建立了圓柱固定面電接觸模型，采用ICEM模塊進行結構離散，應用FLUENT對模型使用有限體積的方法進行計算，分析了不同輻射模型對仿真計算結果的影響。

1.1 模型離散

圓柱固定面接觸模型為計算對象，定義為相互貼合的兩個圓柱形電接觸觸頭，接觸形式為面接觸。建立空間直角坐標系，定義面接觸的圓心為計算模型原點，圓柱面直徑d為特征長度，每個圓柱形電觸頭高度沿Y軸方向0.2d，上、下2個觸頭組成的模型厚度為0.4d。定義流體計算域中心為下觸頭圓柱面圓心，分別沿著Y軸正方向，X、Z軸雙向10d的長方體區(qū)域。

采用Tetra/Mixed類型進行網(wǎng)格劃分，采用Robust（Octree）的網(wǎng)格生成方法。流體計算域區(qū)域底面buttom（Y=-0.2d）與下觸頭直接接觸，網(wǎng)格需要劃分的更加細致，尺寸限制比全局尺寸限制小，為全局網(wǎng)格尺寸的20%。模型近壁面的邊界層網(wǎng)格采用棱柱網(wǎng)格進行局部網(wǎng)格加密處理，如圖1邊界層網(wǎng)格。計算域網(wǎng)格生成總網(wǎng)格數(shù)量69 673，依據(jù)行列式和角度準則，進行網(wǎng)格質(zhì)量分析，分別為0.279 954（行列式最小值），12.646 9（角度最小值），其中小于18（角度）的單元數(shù)占比為0.061%，網(wǎng)格質(zhì)量較好。定義圓柱固定面接觸模型壁面為發(fā)熱源面，溫度設置為323.15 K（50℃），計算域壁面為固體壁，溫度與環(huán)境一致，為300 K（26.85℃）。

圖1 邊界層網(wǎng)格

1.2 數(shù)值計算

分別采用5種輻射模型，包括Monte Carlo輻射模型、P1輻射模型、Rosseland輻射模型、表面輻射（S2S）模型及離散坐標輻射（discrete ordinates, DO）模型，采用k-epsilon湍流模型，近壁面處理為SWF(standard wall functions)，以Coupled為求解方法，進行穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算，得到了相應的數(shù)值計算結果。

不同輻射模型在X=0的截面溫度場分布情況，如圖2～圖6所示。

圖2 Do輻射模型

圖3 P1輻射模型

圖4 S2S輻射模型

圖5 Rosseland輻射模型

圖6 Monte Carlo輻射模型

圖2～圖4所示3種模型獲得的溫度分布云圖，在發(fā)熱體的上觸頭頂部溫度最高，熱量沿著計算域呈發(fā)射狀向外傳遞，溫度逐漸降低，梯度變化較為平滑。采用Do輻射模型、P1輻射模型、S2S輻射模型均能夠較好地計算出模型的致熱效應。如圖5～圖6所示，Rosseland輻射模型與Monte Carlo輻射模型，在有發(fā)熱熱源面的情況下，在局部部位的溫度反而降低，甚至低于環(huán)境溫度，仿真結果與實際情況不符。

分析P1輻射模型、表面輻射（S2S）模型、離散坐標輻射（DO）模型數(shù)值計算過程，在能得到較好的仿真結果的前提下，表面輻射（S2S）模型迭代所占用的計算資源較少，是比較理想的模型。

2 封閉體-固定接觸模型致熱流場計算

接觸器是一種常用的帶封閉體-電接觸結構的大功率電氣控制器件，其主要工作部件為不規(guī)則外形的接觸片，如圖7所示。其實時工作電氣特性的變化，產(chǎn)生的致熱流場在空氣流體域中熱傳遞，受封閉體的阻斷，在封閉體內(nèi)、外形成復雜的三維熱流場分布，本節(jié)在前序模型的基礎上，進一步探究CFD仿真方法的有效性。

圖7 封閉體接觸片

2.1 模型離散

考慮到接觸部位的三維結構比較復雜，結構具有非對稱性，且存在多種曲面結構，邊界上帶有加工切角，模型建立過程中需進行針對性處理，如圖7所示，非規(guī)則接觸體結構模型的外形為一個近似的橢圓，帶有一個向外延伸的叉狀結構及凸出的2個圓柱面接觸片，整體為一個對稱結構；考慮到邊界結構的連續(xù)性，避免在網(wǎng)格離散時對網(wǎng)格質(zhì)量產(chǎn)生影響，特別是四面體網(wǎng)格與壁面的貼合性，造成數(shù)值計算結果不易收斂。采用分段細化-平滑的處理方法，定義細化間距為a，取點數(shù)量為b，b≥6，使得模型局部特征與實際相吻合，得到了非規(guī)則接觸體結構模型分段細化-平滑圖，如圖8所示，進一步生成非規(guī)則接觸體及封閉體結構模型，如圖9所示。

圖8 分段細化-平滑處理圖

圖9 非規(guī)則接觸體及封閉體結構模型

模型創(chuàng)建中以封閉體幾何中心為原點（位于不規(guī)則接觸片上部），建立空間直角坐標系，Y軸垂直接觸面向上，Z軸負方向平行于對稱軸，指向叉狀結構，在非規(guī)則接觸體內(nèi)部生成非結構化網(wǎng)格（定義為固體材質(zhì)熱源）如圖10所示。在封閉體內(nèi)部生成非結構化網(wǎng)格（定義為固體材質(zhì)），在封閉體和非規(guī)則接觸體壁面之間創(chuàng)建空氣流體域，如圖11所示。

圖10 模型坐標示意

圖11 封閉體網(wǎng)格及空氣流體域

計算域網(wǎng)格生成總網(wǎng)格數(shù)量140 019，依據(jù)行列式和角度準則，進行網(wǎng)格質(zhì)量分析，分別為0.188 412（行列式最小值），65.692%行列式的值在0.959 302 8 ～0.999 876，9.310 58（角度最小值），其中小于18（角度）的單元數(shù)占比為0.01%，網(wǎng)格質(zhì)量較好，如圖12所示。

圖12 封閉體-固定接觸耦合模型流體域網(wǎng)格

在模型求解計算中，啟動能量方程，湍流模型選用k-epsilon模型，近壁面處理為SWF。輻射模型采用S2S（表面到表面）模型，完成邊界條件設置非金屬封閉體及環(huán)境溫度為12.5℃，接觸片溫度設置為72.5℃，耦合模式方案為Coupled，初始化流場，進行穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算，得到了相應的數(shù)值計算結果。

2.2 數(shù)值計算

針對非規(guī)則固定接觸體模型進行數(shù)值再現(xiàn)，得到溫度分布云圖，分別垂直于Y、Z、X軸進行切片化處理。當垂直于Y軸進行切片化處理時，分別給出了y=0.976、5.5時切面溫度分布云圖，如圖13和圖14所示。2個切面在垂直于Y軸物面上的連貫性和連續(xù)性較好，邊界結構清晰，形成的溫度分布與結構分布相符。

圖13 切面溫度分布云圖

圖14 切面溫度分布云圖

垂直于X軸進行切片化處理，分別給出了x=0、8.11時切面溫度分布云圖，在非規(guī)則接觸體靠近接觸部位的區(qū)域溫度相對偏高，如圖15和圖16所示。

圖15 x=0時切面溫度分布云圖

圖16 x= 8.11時切面溫度分布云圖

2個切面在垂直于X軸物面上也展現(xiàn)了較好的連貫性和連續(xù)性，邊界結構清晰。當x=0時，在非規(guī)則接觸體靠近對稱的區(qū)域，由于叉型結構和安裝孔的存在，將該區(qū)域分為2個不連續(xù)的部分，熱阻截面較小，出現(xiàn)了2個獨立的溫度分布區(qū)域，且相對溫度偏高；當x=8.11時，靠近非規(guī)則接觸體的區(qū)域溫度較高，形成的溫度分布與結構分布相符，呈均勻連續(xù)的放射狀向空間輻射。垂直于Z軸進行切片化處理，給出了z=0和z=-3.963時切面溫度分布云圖，如圖17和圖18所示。

圖17 z=0時切面溫度分布云圖

圖18 z= -3.963時切面溫度分布云圖

2個切面在垂直于Z軸物面上依然展現(xiàn)了較好的連貫性和連續(xù)性，邊界結構清晰。當z=0時，受到非規(guī)則接觸體觸點的影響，出現(xiàn)了2個獨立的溫度分布區(qū)域，且溫度分布相對集中偏高；由于中間安裝孔區(qū)域的熱阻較小，兩側的溫度呈現(xiàn)一種向中間擴散的趨勢。當x=-3.963時，沿結構邊界溫度分布均勻，應用分段細化-平滑方法取得了較好的效果。

針對封閉體-固定接觸耦合模型進行數(shù)值再現(xiàn)，得到溫度分布云圖，分別垂直于Y、Z軸進行切片化處理，并且獲取了封閉體表面溫度分布圖。

當垂直于Y軸進行切片化處理時，分別給出了y=0.005、0.008時切面溫度分布云圖，如圖19和圖20所示。

圖19 y=0.005切面溫度分布云圖

圖20 y=0.000 8切面溫度分布云圖

基于封閉體結構的耦合模型計算出的結果，2個切面在垂直于Y軸物面上的連貫性和連續(xù)性較好，有著清晰邊界結構。當y=0.005時，因為封閉體頂部具有半球狀突起結構，內(nèi)部為空氣域，熱阻較低，溫度分布集中在此區(qū)域，且相對偏高；當y=0.000 8時，靠近非規(guī)則接觸體溫度較高，向外溫度逐漸降低，在封閉體處的熱阻較高，受到封閉體的影響，溫度在封閉體邊界處大幅下降，封閉體外部溫度下降較為平滑，然后趨向于環(huán)境溫度，形成的溫度分布與實際結構分布相符。

當垂直于Z軸進行切片化處理時，給出了z=0.016 7時切面溫度分布云圖，如圖21所示。當z=0.016 7時，靠近非規(guī)則接觸體的區(qū)域溫度較高，形成的溫度分布與結構分布相符，呈均勻連續(xù)的放射狀向空間輻射。

圖21 z=0.016 7切面溫度分布云圖

針對封閉體-固定接觸耦合模型進行計算，得出封閉體表面的溫度圖，得到了明顯的溫度分布，如圖22所示。

圖22 封閉體溫度分布圖

封閉體紅外溫度圖與封閉體上的溫度分布云圖對比，如圖23所示。在封閉體上，高溫部分集中在前后兩端的圓柱型孔洞處；而側面，高溫部分集中在兩側平臺的下部。仿真結果與紅外溫度分布趨于一致，可以用于計算電接觸致熱效應。

圖23 封閉體紅外溫度分布圖

3 結論

針對在役封閉體電接觸，應用分段細化-平滑方法進行結構離散，采用S2S表面輻射模型及kepsilon湍流模型，近壁面處理為SWF，并以Coupled為求解方法，得到的穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算結果沿結構邊界溫度分布均勻，在封閉體表面與紅外溫度譜分布趨于一致，可以用于實際電接觸致熱效應計算與流場分析。