某機載機箱的熱仿真分析研究*

董雅潔，葉 銳

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

引 言

隨著機載產品向小型化和輕量化方向發(fā)展，機載平臺設備的集成度和元器件熱流密度也不斷提高，隨之產生的大量熱累積成為影響雷達性能的關鍵因素。有研究表明：電子元器件的工作溫度每升高10°C，其失效率會增加一個數(shù)量級，電子設備過熱會降低整個系統(tǒng)的可靠性，縮短工作壽命[1–2]。機載設備惡劣的工作環(huán)境增加了熱失效的風險，因此對機箱開展復雜機載環(huán)境下的熱仿真分析對提高系統(tǒng)可靠性十分必要。目前，機箱熱仿真分析是整個機箱設計過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，而Icepak由于準確度高，在電子設備仿真分析中得到廣泛應用[3–4]。

本文以某機載電子密閉機箱為研究對象，針對其模塊復雜、熱源集中等特點，利用Icepak軟件對機箱分別進行系統(tǒng)級–板級建模以及仿真計算，得到機箱的溫度場和流場分布情況，并與直接詳細建模方法進行對比，對機箱復雜工況分析、機箱插件排布以及結構設計等具有重要意義。

1 問題概述

1.1 系統(tǒng)組成

某機載機箱采用強迫風冷散熱，其機箱結構如圖1所示。它主要由風機、風機托盤、上頂板、下底板以及機箱插件組成。機箱內部上頂板及下底板處設計有多對插槽，插件通過鎖緊裝置固定于機箱插槽內，每個插件都包含一塊風冷散熱冷板，發(fā)熱元件的熱量通過散熱凸臺傳導至風冷冷板。機箱采用側進風上出風的方式，通過強迫風冷將熱量帶走。

圖1 機箱結構示意圖

1.2 熱耗分布

機箱插件包括4塊數(shù)字波束形成（Digital Beam Forming, DBF）板、3塊任務管理板、2個數(shù)據(jù)處理器以及2塊電源模塊，機箱總熱耗為1 038 W。電源模塊排布在機箱兩側，其余插件的位置及熱耗分布見表1。

表1 機箱熱耗分布

1.3 傳熱路徑分析

對于強迫風冷機箱，熱量的流動路徑有導熱和對流[5]。機箱插件發(fā)熱元件通過導熱襯墊貼在冷板凸臺上，發(fā)熱元件的熱量通過凸臺傳導至冷板風道散熱面；電源模塊通過螺紋安裝在冷板上，熱量直接傳導至冷板散熱面；利用風扇以強迫對流的方式帶走熱量。插件元件散熱示意圖如圖2所示。

圖2 插件元件散熱示意圖

2 熱分析

2.1 仿真模型

利用Icepak軟件對機箱進行熱仿真分析。本文研究的機箱插件較多，結構復雜。若直接建模計算，則網(wǎng)格數(shù)量大，計算時間長；如果采用較大的網(wǎng)格尺寸，減少網(wǎng)格數(shù)量，則難以保證計算精度。本文利用Zoom-in功能，可以實現(xiàn)板級和任一區(qū)域之間壓力、速度以及溫度等邊界條件的轉化，可提高計算效率[6]。

機箱的熱仿真分析分為系統(tǒng)級和板（模塊）級。首先進行機箱系統(tǒng)級熱仿真，將每個插件發(fā)熱器件的總熱耗均勻施加到組件上，評估插件位置、冷板風道等設計的合理性以及機箱整體溫度的分布情況；然后進行插件模塊熱仿真分析，確定發(fā)熱元件的最高溫度。

根據(jù)熱仿真分析軟件建模的特點和要求，在保證仿真結果不失真的前提下，對仿真模型進行部分簡化，簡化細節(jié)如下：1）忽略插件電子設備與周圍空氣的自然對流散熱；2）忽略機箱與環(huán)境的輻射散熱；3）忽略對機箱熱分析影響不大的倒角、螺釘、定位銷以及對機箱傳熱關系影響不大的局部部件；4）機箱系統(tǒng)熱仿真不考慮插件的詳細模型，將各電子元件簡化成實體塊，施加總熱耗。簡化后的仿真模型如圖3所示。

圖3 簡化后的仿真模型圖

2.2 邊界條件

模型計算域進風口和出風口均采用opening開口形式，進風口空氣參數(shù)按表2進行設置，出風口為環(huán)境壓力。該機載機箱的工作海拔高度為0～7 km，根據(jù)GJB 1193，不同高度下飛機環(huán)境的設計點參數(shù)見表2。

表2 不同高度下飛機環(huán)境的設計點參數(shù)

2.3 仿真結果與分析

2.3.1 機箱系統(tǒng)仿真結果

以海拔0 m為例，對機箱進行系統(tǒng)級熱仿真分析優(yōu)化，得到散熱效果較好的機箱進出風方式，即上進風、側出風方式。該進風方式布局可以使插件熱耗高、熱流密度大的元器件盡可能布置在板卡溫度相對較低的區(qū)域。系統(tǒng)級–板級仿真溫度分布如圖4所示。從圖4可以看出，不同類型插件溫度存在較大差異。在DBF板中，位號1的溫度較高；在任務管理板中，位號8的溫度較高；在數(shù)據(jù)處理器中，位號7的溫度較高；電源模塊的熱耗可視為均勻分布，無需進行下一步分析。因此在模塊級計算時僅需重點分析這幾塊插件的詳細溫度分布情況。

圖4 系統(tǒng)級–板級仿真溫度分布云圖

從機箱系統(tǒng)仿真結果中分別提取1號、7號和8號插件所在位置X,Y,Z方向的壓力、溫度、速度等邊界條件，進行詳細建模及仿真分析。從圖4可以看出DBF板、任務管理板以及數(shù)據(jù)處理器的最高溫度分別為91.2°C，94.8°C和85°C。

機箱流場分布如圖5 所示，最大風速約為10.1 m/s，各翅片間的平均流速約為3.5 m/s。

圖5 機箱流場分布

2.3.2 整體詳細建模分析

以海拔0 m為例，對機箱整體進行詳細建模，插件的溫度分布如圖6所示。DBF板、任務管理板以及數(shù)據(jù)處理器的最高溫度分別為89.5°C，95.4°C和85.8°C。整體流場分布如圖7所示。從圖7可以看出最大風速約為9.9 m/s，各翅片間的平均流速約為3.5 m/s。

圖6 插件溫度分布

圖7 整體流場分布

兩種計算方法的網(wǎng)格數(shù)量、計算時間以及結果對比見表3和表4。

表3 兩種計算方法的網(wǎng)格數(shù)量和計算時間對比

表4 兩種計算方法的計算結果對比

從表3和表4可以看出，兩種方法所得溫度誤差在3%以內，所得流場、溫度場分布基本一致，但模型的網(wǎng)格數(shù)和計算時間相差很大，采用系統(tǒng)級+板級的計算方法，可以大大縮短計算時間。

3 機箱高空換熱特性分析

機箱采用強迫風冷散熱，隨著海撥高度升高，空氣的密度、大氣壓、溫度等物性參數(shù)均有較大改變，對機箱元器件的對流散熱產生較大影響，因此有必要研究海拔高度對機箱散熱特性的影響。

雷諾數(shù)Re的計算公式為：

利用系統(tǒng)級–板級的仿真方法，對機箱工作海拔高度為0～7 km時的溫度特征進行分析，可得關鍵元件隨海拔升高的溫度變化及溫升特性，如圖8所示。

圖8 插件隨海拔升高的溫度變化及溫升特性

從圖8可以看出，關鍵元件的溫升隨海拔升高而增大，整體散熱性能變差。這是由于機箱熱量主要通過空氣與插件冷板強迫對流帶走，對于特定的研究對象，水力直徑為定值，空氣粘度、導熱系數(shù)隨海拔升高變化不明顯，空氣密度隨海拔升高明顯降低，使對流換熱系數(shù)明顯減小，整體散熱性能變差。同時由于空氣溫度隨海拔升高而降低，二者耦合作用，導致雖然元件溫升變大，但整體溫度隨海拔升高呈下降趨勢，但趨勢漸緩。

4 結束語

本文分別采用系統(tǒng)級–板級以及直接詳細建模的方法對某風冷機載機箱進行了熱仿真分析，由仿真結果可知：1）系統(tǒng)級–板級熱仿真分析與整體詳細建模的結果誤差小于3%，可以保證計算結果的準確性，對于復雜結構以及復雜工況下機箱、機柜的仿真分析，可以大大提高計算效率；2）機箱系統(tǒng)級仿真分析對指導機箱風扇布置、選取進出風方式等結構設計具有重要意義；3）機箱關鍵元件溫度隨海拔升高而降低，溫升隨海拔升高而增大。