基于數(shù)值仿真的雷達(dá)高頻箱熱流特性研究

宋榮貴,顧毅君,肖　力,楊志昆

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京211153)

基于數(shù)值仿真的雷達(dá)高頻箱熱流特性研究

宋榮貴,顧毅君,肖力,楊志昆

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京211153)

摘要：針對雷達(dá)高集成高頻箱有效散熱設(shè)計(jì)需求,應(yīng)用Fluent軟件對雷達(dá)高頻箱的熱流特性進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。對高頻箱內(nèi)空氣的流動情況及不同邊界條件下典型高頻箱內(nèi)溫度和發(fā)熱單元表面對流換熱系數(shù)分布情況進(jìn)行了比較分析,得出的研究結(jié)論可為高頻箱的熱設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞:高頻箱；Fluent；流場；熱流特性

0引言

隨著雷達(dá)功能和技術(shù)持續(xù)快速發(fā)展,雷達(dá)高頻箱電路與組件集成規(guī)模及其功耗密度不斷提高,熱流密度隨之不斷增大。雷達(dá)高頻箱一般需集成低噪聲場放、頻綜、混頻、匹配放大濾波和控制、電源等系列模塊,總功耗可達(dá)數(shù)百至數(shù)千瓦,并需在有限體積和規(guī)定的工作范圍內(nèi)高可靠地正常工作。因此,必須對高頻箱內(nèi)的熱流特性進(jìn)行研究,為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

基于數(shù)值仿真分析軟件Fluent,本文分析了高頻箱內(nèi)的氣體流動情況和不同環(huán)境條件對高頻箱通風(fēng)換熱性能的影響。針對典型雷達(dá)高頻箱工程高可靠散熱設(shè)計(jì)需求,研究了功率855 W、穩(wěn)定工作溫度范圍覆蓋-40℃～+60℃的熱流特性數(shù)值分析,給出了工程設(shè)計(jì)結(jié)論,可以為其他類型高頻箱及機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)提供參考。

1數(shù)理模型分析

1.1物理模型

本問題的計(jì)算區(qū)域?yàn)楦哳l箱內(nèi)空氣的流動區(qū)域和發(fā)熱單元的固體區(qū)域。設(shè)典型高頻箱內(nèi)發(fā)熱單元從上至下由電源、混頻、場放等共10個模塊和VPX機(jī)箱內(nèi)3個發(fā)熱模塊組成,如圖1所示。高頻箱右側(cè)下方進(jìn)風(fēng),頂部出風(fēng)。高頻箱內(nèi)屏蔽盒單元與VPX機(jī)箱之間為一組軸流風(fēng)機(jī)。

圖1　高頻箱結(jié)構(gòu)模型

設(shè)定分析參數(shù)如下:高頻箱模型尺寸為1462 mm×638 mm×424 mm,內(nèi)部總發(fā)熱量Q約為855 W,進(jìn)氣溫度25℃,出風(fēng)口處溫度升高不超過10℃,即出風(fēng)口溫度為35℃。 則定性溫度為

30℃時空氣的物理參數(shù)分別為ρ=1.165 kg/m3，Cp=1005 J/kg·℃，κ=2.67×10-2W/m·℃。

若高頻箱與外界無熱量交換,則高頻箱內(nèi)發(fā)熱量所需的風(fēng)量Qf為

進(jìn)風(fēng)口平均速度為

式中,△T為進(jìn)出風(fēng)口溫差,A為進(jìn)風(fēng)口面積。

1.2數(shù)學(xué)模型

計(jì)算高頻箱內(nèi)空氣流動運(yùn)用三維不可壓N-S方程求解。湍流模型為已被成功應(yīng)用的k-ε雙方程模型[1-2],其控制方程形式如下[3-6]:

連續(xù)性方程

動量方程

k方程

ε方程

湍流粘度

其中,G為因平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項(xiàng):

模型常量

Cε1=1.44,Cε2=1.92,cμ=0.09,

σk=1.0,σε=1.3

能量方程

式中,ui為速度分量,ρ為密度,Sui為動量方程源項(xiàng),μeff為有效動力粘度,P為壓力,Cp為定壓比熱容,t為溫度,λeff為有效的導(dǎo)熱系數(shù),SH為能量方程源項(xiàng)。

2仿真研究

仿真研究技術(shù)路徑為:首先在UGNX軟件中建立研究對象的三維幾何模型,再應(yīng)用Fluent軟件的前處理軟件GAMBIT分割幾何體、劃分網(wǎng)格,最后在Fluent軟件中選擇合適的流動模型和設(shè)置邊界條件進(jìn)行計(jì)算。

2.1劃分網(wǎng)格

由于該模型比較復(fù)雜,采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。因模型尺寸較大,固體區(qū)域和空氣流體區(qū)域采用不同的網(wǎng)格大小來減少網(wǎng)格數(shù)量,降低計(jì)算時間。全部區(qū)域共劃分網(wǎng)格數(shù)約為260萬個。

2.2邊界條件

對于該高頻箱內(nèi)的通風(fēng)換熱性能分析,邊界條件主要有氣體入口、氣體出口、熱源、風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、熱邊界等5種。

2.2.1氣體入口

計(jì)算氣體入口采用速度入口條件,給定氣體速度、溫度及相應(yīng)的湍流條件。

2.2.2氣體出口

采用自由出口條件。

2.2.3熱源

發(fā)熱單元的固體區(qū)域加入熱源模擬電子部件的生成熱,設(shè)置每個發(fā)熱單元的單位體積發(fā)熱率。

2.2.4風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

設(shè)置每個風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域的旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)速度,定義風(fēng)機(jī)與氣體區(qū)域接觸壁面的相對速度為零。

2.2.5熱邊界

(1) 氣體與高頻箱接觸的壁面:第1種情況:熱流密度q=0,即絕熱；第2種情況:考慮壁面導(dǎo)熱、壁面與環(huán)境的對流換熱及輻射。設(shè)置殼導(dǎo)熱邊界,高頻箱材料的熱參數(shù)、壁面厚度、與環(huán)境的對流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度、壁面發(fā)射率。

(2) 氣體與發(fā)熱單元的固體區(qū)域表面為耦合傳熱邊界條件。耦合傳熱邊界由熱量傳遞過程中動態(tài)瞬時決定,保證能量方程在區(qū)域界面處的溫度連續(xù)和溫度梯度連續(xù),不能用常規(guī)的三類傳熱邊界條件設(shè)置[7]。本數(shù)值分析過程在GAMBIT中分割幾何體時采用splitvolume工具得到交界面處為“wall”和“wallshadow”的壁面形式,分別屬于固體和流體計(jì)算域,二者為同一面。在Fluent中生成Coupled邊界條件自動計(jì)算得到流體-固體表面對流換熱系數(shù)及溫度分布。

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1不同氣流通路對高頻箱內(nèi)溫度分布的影響

空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入高頻箱內(nèi),氣流在旋轉(zhuǎn)的軸流風(fēng)機(jī)驅(qū)動下繞過發(fā)熱單元表面向上流動,穿過高頻箱與發(fā)熱單元及其之間的間隙向上,流向高頻箱頂部的出風(fēng)口,如圖2所示。

圖2中,出風(fēng)口位于高頻箱頂部中間位置,由于高頻箱內(nèi)部功率模塊布置前后并不完全對稱,氣流在高頻箱內(nèi)部形成了紊流,高溫氣體流出不暢,散熱效果有待改進(jìn)。綜合分析內(nèi)部模塊和功率器件的布置,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后,將出風(fēng)口位置調(diào)整至頂部右側(cè)。分析結(jié)果如圖3所示。氣流在高頻箱內(nèi)優(yōu)先尋找阻力小的路徑流動,高溫氣體流動順暢,可以更加高效地將熱量散至箱外。在高頻箱的設(shè)計(jì)過程中,需要合理優(yōu)化內(nèi)部器件、模塊以及進(jìn)出風(fēng)口布局,這樣可以提高散熱效率。

圖2　高頻箱內(nèi)氣流流動情況(優(yōu)化前)

圖3　高頻箱內(nèi)氣流流動情況(優(yōu)化后)

3.2不同熱邊界條件對高頻箱內(nèi)溫度分布的影響

假設(shè)進(jìn)風(fēng)口溫度為25℃,在壁面絕熱條件下,出風(fēng)口平均溫度為34.9℃,相對進(jìn)風(fēng)口溫升為9.9℃,與理論計(jì)算的溫升為10℃基本相一致。

絕熱為一種理想的狀態(tài)。在實(shí)際情況中,即使高頻箱內(nèi)壁粘貼隔熱材料,也不能完全實(shí)現(xiàn)絕熱。所以,本模擬中考慮壁面厚度、壁面與環(huán)境對流換熱及輻射的條件下與絕熱情況進(jìn)行比較。設(shè)置環(huán)境溫度為40℃(313K),高頻箱壁面與外界對流換熱系數(shù)為1.5W/m2·k,壁面發(fā)射率為0.8,高頻箱表面溫度分布如圖4所示。絕熱情況下高頻箱內(nèi)壁表面平均溫度為302.5K,考慮熱交換情況下其平均溫度為306.6K,溫度上升了4.1K(4.1℃)。壁面熱量傳遞對高頻箱內(nèi)溫度影響較明顯。在高頻箱熱設(shè)計(jì)時需充分考慮高頻箱使用環(huán)境的影響。

(a) 絕熱狀態(tài)　 (b) 與環(huán)境熱交換狀態(tài)

3.3不同進(jìn)風(fēng)量對高頻箱內(nèi)部溫度分布的影響

對高頻箱內(nèi)部發(fā)熱器件進(jìn)行通風(fēng)換熱,進(jìn)風(fēng)量是改善發(fā)熱器件對流換熱的一個重要因素。進(jìn)風(fēng)量太小則發(fā)熱器件獲得的冷卻效果不好,進(jìn)風(fēng)量過大則會造成很大能量浪費(fèi)且散熱效果未必很好。不同進(jìn)風(fēng)量對出風(fēng)口平均溫度的影響如圖5所示。隨著進(jìn)風(fēng)量變大,出風(fēng)口平均溫度變小,高頻箱內(nèi)溫升變小。通過模擬分析,在設(shè)計(jì)允許的溫升范圍內(nèi)選擇合適的流量。假設(shè)設(shè)計(jì)溫升為不超過10℃,則合適的進(jìn)風(fēng)速度為6.4m/s,進(jìn)風(fēng)量為331m3/h。

圖5　不同進(jìn)風(fēng)速度對機(jī)高頻箱出口溫度的影響

不同進(jìn)風(fēng)速度對高頻箱內(nèi)發(fā)熱單元表面溫度的影響如圖6所示。發(fā)熱單元表面溫度隨風(fēng)速的提高而降低,發(fā)熱單元所獲得的冷卻效果更好。但是,對靠近進(jìn)風(fēng)口且熱流密度最高的區(qū)域(圖中紅色區(qū)域),速度在5.1～7.7m/s時表面溫度隨速度增加而降低,而當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度達(dá)到8.6m/s時由于風(fēng)速過快熱交換來不及充分進(jìn)行,散熱效果沒有得到明顯提升。

(a) 進(jìn)風(fēng)速度v=5.1 m/s (b) 進(jìn)風(fēng)速度v=7.7 m/s (c) 進(jìn)風(fēng)速度v=8.6 m/s

由對流換熱公式Q=h·A·(tw-tf)可知,發(fā)熱單元表面溫度tw不僅與氣體溫度tf、表面積A相關(guān),還與對流換熱系數(shù)h密切相關(guān)。發(fā)熱單元表面的平均對流換熱系數(shù)值h由模擬計(jì)算獲得,如圖7所示。表面對流換熱系數(shù)變化趨勢與其表面溫度相反。

圖7　不同進(jìn)風(fēng)速度與平均對流換熱系數(shù)及平均溫度的關(guān)系

表面對流換熱系數(shù)對散熱效果有重要影響。從圖8中可以看出,速度為8.6m/s時速度過高,表面對流換熱系數(shù)較小。氣體快速由阻力最小途徑流出,流經(jīng)該局部是散熱不夠充分,散熱效果不佳。若在高頻箱內(nèi)部合適位置安裝導(dǎo)風(fēng)板、開設(shè)通風(fēng)孔則有利于將更多的氣流導(dǎo)向發(fā)熱量大的器件,避免高頻箱內(nèi)局部位置溫度過高。

4結(jié)束語

本文基于典型雷達(dá)高頻箱高可靠散熱設(shè)計(jì)需求,利用數(shù)值仿真分析研究了典型高頻箱熱流特性及不同邊界條件對箱體內(nèi)部熱流場的影響。由數(shù)值分析結(jié)果可知,高頻箱壁面熱邊界設(shè)置對高頻箱內(nèi)溫度影響明顯。高頻箱熱設(shè)計(jì)時要考慮其使用環(huán)境,并在高頻箱內(nèi)部粘貼隔熱棉或表面涂敷隔熱材料。高頻箱進(jìn)風(fēng)量越大,帶走的熱量越多。但是,進(jìn)風(fēng)量越多,并非高頻箱內(nèi)所有發(fā)熱單元都會獲得更好的冷卻效果,氣流在高頻箱內(nèi)流動優(yōu)先尋找的是阻力小的路徑。因此,高頻箱通風(fēng)換熱設(shè)計(jì)時,根據(jù)器件的散熱量和安裝位置,設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板、通風(fēng)孔等讓更多氣流穿過單位體積發(fā)熱率高的器件,避免高頻箱內(nèi)局部溫度過高而損壞元器件,從而可提高設(shè)備的使用壽命和可靠性。

(a) v=5.1 m/s(正反面) (b) v=8.6 m/s(正反面)

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Analysis of characteristics of heat flow in radar HF box based on numerical simulation

SONG Rong-gui, GU Yi-jun, XIAO Li, YANG Zhi-kun

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:In view of the requirements of the effective heat dissipation in the highly integrated HF box, the characteristics of the heat flow in the HF box are simulated numerically with the Fluent software. The air flow in the HF box and the convective heat transfer coefficient (CHTC) on the surface of the heating units and the temperature distribution in the typical HF box in different boundary conditions are compared and analyzed. The research conclusions can provide references for the thermal design of the HF box.

Keywords:HF box; Fluent; flow field; characteristics of heat flow

收稿日期:2016-03-04；修回日期:2016-03-20

作者簡介:宋榮貴(1984-),工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；顧毅君(1985-),女,工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)總體技術(shù)；肖力(1983-),男,工程師,研究方向:雷達(dá)總體技術(shù)；楊志昆(1987-),工程師,碩士,研究方向:制冷及低溫工程。

中圖分類號:TN957.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0056-05