陳 奎，帥立國(guó)，鐘劍鋒，劉國(guó)維

(1. 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的雷達(dá)風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳 奎1，2，帥立國(guó)1，鐘劍鋒2，劉國(guó)維2

(1. 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

“選取參數(shù)—熱仿真—選取參數(shù)”的不斷重復(fù)是目前雷達(dá)風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的常用方法，其設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，且很難得到最優(yōu)熱設(shè)計(jì)方案。文中結(jié)合風(fēng)冷設(shè)計(jì)理論和計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算的優(yōu)化算法，提出了一種基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的雷達(dá)風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，能夠在較短設(shè)計(jì)周期內(nèi)(即“選取參數(shù)—熱仿真”)一次性完成熱設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。該方法不僅縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了工作效率，而且還能夠得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。在文中給出的設(shè)計(jì)實(shí)例中，使用粒子群優(yōu)化算法完成了參數(shù)初選、風(fēng)道出口溫度和實(shí)際風(fēng)量風(fēng)壓計(jì)算、風(fēng)道寬度尋優(yōu)等設(shè)計(jì)流程，得到了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，選定合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)后進(jìn)行了熱仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，機(jī)箱最高溫度為69.3 ℃，溫度冗余量為14.4%。

風(fēng)冷系統(tǒng)；現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；熱設(shè)計(jì)；粒子群優(yōu)化算法

引 言

現(xiàn)代雷達(dá)作為一種高科技產(chǎn)物，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、維修等需要耗費(fèi)巨大的經(jīng)濟(jì)成本，嚴(yán)重影響了雷達(dá)廠商在躋身大項(xiàng)目時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)力[1-3]。而雷達(dá)電子器件的熱可靠性是影響雷達(dá)壽命與安全工作的重要性能。目前電子設(shè)備應(yīng)用最廣泛的熱控技術(shù)為風(fēng)冷與液冷技術(shù)。傳統(tǒng)的風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往是“選取參數(shù)—熱仿真—選取參數(shù)”的不斷重復(fù)，同時(shí)有很大的熱設(shè)計(jì)冗余，不僅增加了成本，而且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，影響了雷達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法(“現(xiàn)代廣義設(shè)計(jì)科學(xué)方法學(xué)”的簡(jiǎn)稱)相對(duì)于傳統(tǒng)的“狹義設(shè)計(jì)”概念，并不僅僅是簡(jiǎn)單的“出圖紙”，而是需要一系列的思維、實(shí)踐過程。其核心內(nèi)容是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，是以理性的科學(xué)的方法使用計(jì)算機(jī)分析復(fù)雜的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)[4]。

目前，雷達(dá)風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)多以工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，輔以簡(jiǎn)單的計(jì)算與仿真分析，多為驗(yàn)證性設(shè)計(jì)方案，具有較大的設(shè)計(jì)冗余?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法提倡最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，多學(xué)科交叉共同完善優(yōu)化設(shè)計(jì)。雷達(dá)風(fēng)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可輸入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的理念，在提高雷達(dá)熱可靠性的同時(shí)，降低其制造成本，增強(qiáng)我國(guó)雷達(dá)工業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

1 雷達(dá)機(jī)箱風(fēng)冷理論

由于電磁兼容設(shè)計(jì)的要求，雷達(dá)結(jié)構(gòu)多為屏蔽插盒形式，安裝于半封閉機(jī)箱中，通過風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)或抽風(fēng)形式將廢熱帶出機(jī)箱。機(jī)箱散熱所需的總風(fēng)量為各插盒所需風(fēng)量之和，插盒散熱所需的風(fēng)量為[5]

(1)

式中：Q為插盒所需風(fēng)量，m3/s；Φ為插盒熱耗，W；ρ為插盒n風(fēng)道內(nèi)空氣的定性密度，kg/m3；cp為空氣的比熱容，J/(kg·℃)；to為插盒風(fēng)道出口空氣溫度，℃；ti為插盒風(fēng)道入口空氣溫度，℃。

插盒風(fēng)道的風(fēng)壓損失為[5]

(2)

式中：Δp為插盒n的總風(fēng)壓損失，Pa；Δp1為插盒n的沿程阻力損失，Pa；Δpc為插盒n的局部阻力損失，Pa；ω為空氣流速，m/s；f為沿程阻力系數(shù)；lf為風(fēng)道長(zhǎng)度，m；d為風(fēng)道當(dāng)量直徑，m；∑ζ為局部阻力系數(shù)或若干損失系數(shù)的和。

每個(gè)風(fēng)道的出口溫度需要通過迭代計(jì)算來確定，根據(jù)能量守恒得

(3)

雷達(dá)機(jī)箱往往考慮電磁干擾的影響，采用屏蔽插盒安裝電路印制板。屏蔽插盒的換熱系數(shù)為[5]

(4)

式中：J為考爾本數(shù)；G為組件風(fēng)道內(nèi)的空氣質(zhì)量流速，kg/(m2·s)；Pr為普朗特?cái)?shù)。

從上述理論可知，散熱所需的風(fēng)量與風(fēng)壓均與風(fēng)道尺寸密切相關(guān)，出口溫度的計(jì)算需要通過式(3)與式(4)反復(fù)迭代完成，其中涉及到空氣溫度的物理性質(zhì)參數(shù)，其定性溫度設(shè)為進(jìn)出口溫度的平均溫度。

2 基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)冷系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法流程

傳統(tǒng)的風(fēng)冷設(shè)計(jì)是在確定風(fēng)道基本尺寸后，利用式(1)～式(4)計(jì)算所需風(fēng)量和風(fēng)壓的大小，從而選取風(fēng)機(jī)型號(hào)。這種設(shè)計(jì)方法不符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的最優(yōu)化理念，為得到最小的風(fēng)量與風(fēng)壓，需要根據(jù)式(1)～式(4)進(jìn)行尋優(yōu)，從而得到最優(yōu)的待定或可變動(dòng)的風(fēng)道基本尺寸。

圖1為本文提出的風(fēng)道尺寸設(shè)計(jì)方案流程圖。其中風(fēng)道尺寸包括寬度、長(zhǎng)度與深度大小，這3個(gè)尺寸大小均與機(jī)箱風(fēng)冷所需的風(fēng)量大小和風(fēng)壓損失密切相關(guān)，均為待定參數(shù)，可對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 風(fēng)冷風(fēng)道尺寸設(shè)計(jì)流程圖

2.2 風(fēng)道出口溫度計(jì)算

各風(fēng)道的出口溫度計(jì)算是一個(gè)反復(fù)迭代的過程，其具體計(jì)算步驟如下：

1)根據(jù)容許的最高板溫計(jì)算機(jī)箱內(nèi)各組件的表面最高容許溫度tw，n；

2)假設(shè)出口溫度為to，則機(jī)箱內(nèi)空氣的定性溫度為出口溫度和入口溫度的平均值(ti+to)/2；

3)根據(jù)式(1)計(jì)算所需風(fēng)量；

4)計(jì)算空氣質(zhì)量流量q，根據(jù)式(4)計(jì)算換熱系數(shù)hc；

2.3 風(fēng)冷散熱所需總風(fēng)量與風(fēng)壓計(jì)算

根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算各組件散熱所需的風(fēng)量和風(fēng)壓，得到理論上機(jī)箱散熱所需的總風(fēng)量和總風(fēng)壓。由于風(fēng)機(jī)提供的總風(fēng)量分配至各風(fēng)道時(shí)，各風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量與風(fēng)道截面尺寸有關(guān)，一般情況下符合式(5)的形式，因此在計(jì)算各個(gè)風(fēng)道所需的風(fēng)量和風(fēng)壓后，需要對(duì)總風(fēng)量和總風(fēng)壓進(jìn)行修正。

(5)

式中：Qf,n為第n個(gè)風(fēng)道的實(shí)際風(fēng)量，m3/s；Q風(fēng)機(jī)為風(fēng)機(jī)提供的總風(fēng)量，m3/s；Af為所有風(fēng)道截面積的和，m2；Af,n為第n個(gè)風(fēng)道的截面積，m2。

2.4 風(fēng)道尺寸的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化

上述過程是計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算尋優(yōu)的迭代過程，計(jì)算十分復(fù)雜，需要借助優(yōu)化算法進(jìn)行尋優(yōu)。一般可選用粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)、模擬退火算法、遺傳算法及其改良的算法等尋優(yōu)，需要優(yōu)化的目標(biāo)為風(fēng)量和風(fēng)壓。風(fēng)量和風(fēng)壓的取值與風(fēng)道尺寸密切相關(guān)，一般情況下，風(fēng)道尺寸越大，所需的風(fēng)量就越大，而風(fēng)壓越小，為取得合理的風(fēng)量和風(fēng)壓，風(fēng)道尺寸顯然存在一個(gè)最優(yōu)值。風(fēng)量與風(fēng)壓為多目標(biāo)優(yōu)化，可設(shè)優(yōu)化目標(biāo)為

minf=αQ+(1-α)Δp

(6)

式中，α為[0,1]上任意實(shí)數(shù)。

將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu)。在得到優(yōu)化的風(fēng)量、風(fēng)壓值后，根據(jù)優(yōu)化值選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)，最后使用熱分析軟件進(jìn)行熱仿真驗(yàn)證。

3 應(yīng)用實(shí)例

某雷達(dá)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。風(fēng)機(jī)置于機(jī)箱底部，上下空氣進(jìn)出口為自由開孔形式，組件由面板和盒體組成，組件盒體間存在較大的間隙，為風(fēng)冷散熱的風(fēng)道。

圖2 某型雷達(dá)機(jī)箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由于組件的長(zhǎng)度、高度受到印制板大小的約束，不能更改，所以可優(yōu)化的風(fēng)道尺寸為寬度大小，設(shè)為s1,s2, …,s8。采用第2部分介紹的方法，選用粒子群優(yōu)化算法對(duì)風(fēng)道寬度尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 風(fēng)道寬度粒子群優(yōu)化流程圖

各組件的熱耗見表1，各組件允許的最高溫度均為85 ℃。

表1 各組件熱耗

以式(6)為優(yōu)化目標(biāo)，由于當(dāng)α=0或α=1時(shí)為單目標(biāo)優(yōu)化，且此時(shí)優(yōu)化結(jié)果是沒有意義的，因此分別計(jì)算α=0.1, 0.2, …, 0.9時(shí)的風(fēng)道寬度最優(yōu)值s1,s2, …,s8，在MATLAB中編寫程序，計(jì)算結(jié)果見表2和表3。

表2 風(fēng)道寬度計(jì)算結(jié)果

表3 風(fēng)量、風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果

從表2和表3可知，隨著α的增大，風(fēng)道寬度的最優(yōu)值逐漸減小，需要的總風(fēng)壓增大，總風(fēng)量減小。本例中的雷達(dá)機(jī)箱使用并聯(lián)安裝的風(fēng)冷風(fēng)機(jī)，并聯(lián)風(fēng)機(jī)特性為風(fēng)量相加，風(fēng)壓不變，因此首先考慮風(fēng)壓的取值。當(dāng)α> 0.6時(shí)，隨著α的增大，總風(fēng)壓驟增；當(dāng)0 <α< 0.5時(shí)，隨著α的增大，總風(fēng)量驟減。為保證安全的風(fēng)壓和足夠的風(fēng)量，取α= 0.4，Q=165.2 m3/h，Δp=65.2 Pa。根據(jù)散熱所需的總風(fēng)量、總風(fēng)壓，選擇Ebmpapst生產(chǎn)的4414M風(fēng)機(jī)作為風(fēng)冷系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，其風(fēng)量、風(fēng)壓特性曲線如圖4所示。

圖4 4414M風(fēng)機(jī)特性

當(dāng)Δp=65.2Pa時(shí)，單風(fēng)機(jī)可提供的風(fēng)量約為33 m3/h，則使用6只風(fēng)機(jī)并聯(lián)，可提供的總風(fēng)量約為Q= 6 × 33 = 198 m3/h，滿足散熱需求。

熱設(shè)計(jì)的結(jié)果需要進(jìn)行仿真分析。本文為簡(jiǎn)化計(jì)算，在Icepak中建立機(jī)箱模型，將各組件簡(jiǎn)化為等尺寸的長(zhǎng)方體，輸入4414M的風(fēng)機(jī)特性曲線以及優(yōu)化計(jì)算出的風(fēng)道尺寸等。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 機(jī)箱溫度分布云圖

仿真結(jié)果表明，最高溫度為69.3 ℃，出現(xiàn)在第4個(gè)組件，與容許的最高板溫85 ℃相比，約有14.4%的余量，冗余量不大，具備較合理的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的理念在雷達(dá)風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中大大提高了制定合理參數(shù)的工作效率，且能夠得到較好的熱設(shè)計(jì)效果。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往是“選取參數(shù)—熱分析驗(yàn)證—選取參數(shù)”的不斷重復(fù)，新的設(shè)計(jì)方法改善了這一繁瑣的過程，能夠直接尋找到最合理的參數(shù)，滿足縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的高要求，能夠進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)雷達(dá)工業(yè)的發(fā)展。

[1] DUSAN Z. Weather-radar recent development and trends[C]//2008 Microwaves Radar and Remote Sensor Symposium. Kiev,Ukrain: 2008.

[2] LUDWIG M, BUCK C H, COROMINA F, et al. Status and trends for space-borne phased array radar[C]// 2005 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. Long Beach, California, USA: 2005.

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[4] 聞邦椿. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展趨向及產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程, 2011, 28(3): 254-259.

[5] 趙惇殳. 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

陳 奎(1989-)， 男，碩士，主要從事機(jī)械電子方面的研究工作。

帥立國(guó)(1968-)， 男， 博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)器人以及物聯(lián)網(wǎng)研究工作。

鐘劍鋒(1967-)， 男， 研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)大型陣面結(jié)構(gòu)、微波以及T/R組件結(jié)構(gòu)研究工作。

劉國(guó)維(1971-)， 男， 高級(jí)工程師， 主要從事設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Design of Radar Air-cooling System Based on Modern Design Method

CHEN Kui1,2，SHUAI Li-guo1，ZHONG Jian-feng2，LIU Guo-wei2

(1.MechanicalEngineeringCollege,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China;2.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The endless repetition of parameter selection, thermal design and then parameter selection is the most commonly used design method of the radar air-cooling system, which obviously makes the design cycle longer and makes it very difficult to get the optimal result. In this paper a new air-cooling system design method based on the modern design method is put forward which is integrated into the air-cooling design theory and the computer-assisted optimization algorithm. The optimal parameters can be obtained only one time in a short time and through accomplishing parameter selection and then thermal design. The design efficiency and quality of the air-cooling system can be improved with this method. In the example provided in this paper, initialization of parameters, calculation of exit-air temperatures and air flow & air pressure，optimization of the air flues width etc. are carried out by particle swarm optimization (PSO) and the optimal design results are obtained. Then the appropriate fan is selected according to the optimization results. The thermal simulation result shows that the maximum temperature of the chassis is 69.3 ℃ with 14.4% redundancy.

air-cooling system; modern design method; thermal design; particle swarm optimization (PSO)

2015-11-03

TK414.2+2

A

1008-5300(2016)01-0020-04