張 星，陳 寧

(江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212018)

0 引言

熱交換的三種基本方式為熱傳導、對流和熱輻射[1]。通常來說熱傳導是將熱量傳導到相鄰的介質或將熱量均勻化。電子設備風冷散熱的冷卻效果與流場關系密切，對于流道需要合理地設計和分配才能達到有效控制設備內(nèi)部溫度的目的[2]。本文基于FLoEFD軟件對某潛艇大功率電源設備進行流場仿真分析，改善內(nèi)部流道分布，平衡內(nèi)部發(fā)熱元器件溫度差，提高散熱效率，在有限的空間內(nèi)保證系統(tǒng)穩(wěn)定運作。

1 潛艇電源設備的結構設計及問題描述

1.1 電源結構

本文研究的潛艇電源設備原結構如圖1所示。由于潛艇電源設備服役于惡劣的海洋氣候環(huán)境，高溫、高濕空氣中的腐蝕性物質、鹽霧和各種霉菌直接影響到設備的導電、磁導、電感、電容、電子發(fā)射和電磁屏蔽等參量的改變，因此防潮濕、防霉菌、防鹽霧的“三防”設計是研制潛艇電子設備的重要任務。從“三防”設計的角度出發(fā)，本電源機箱除底部外各面無通風窗。此外電源結構緊湊，熱源發(fā)熱量大，密閉給散熱方案的制定帶來了不小的難度。

電源機箱初步結構設計預留一個風扇位，根據(jù)內(nèi)部功耗元件的出廠參數(shù)與該設備電氣原理圖可以確定主要的散熱對象為機箱內(nèi)部分布的11個熱源：1個IGBT模塊(絕緣柵雙極型晶體管芯片與續(xù)流二極管芯片)，熱功耗為80 W；3個EMI(電磁干擾)濾波器，熱功耗約150 W；3個25 kV變壓器，總計熱功耗約660 W；兩個直流接觸器30 W；電流互感器18 W；濾波電容30 W；差模電感30 W；功率模組1 140 W；電容180 W；單項輸出濾波電抗器85 W；硬質板和小功率電路等總計熱功耗2 821 W。由以上模型的熱源分布可以確定設備內(nèi)部熱量是通過對流、輻射、傳導傳向機箱，再由機箱通過對流和輻射傳向外部熱沉，從而達到散熱的目的。

為了滿足機箱正常工作時的工況要求，熱設計優(yōu)化時需要考慮3個限制條件：機箱尺寸和內(nèi)部電子元器件的尺寸不可以改變、各發(fā)熱元器件的功率無法改變[3]、受限于功能定義的限制元器件之間的位置不可隨意改變。優(yōu)化設計的目標是使機箱內(nèi)部各電子器件溫度盡可能降低。此機箱的散熱方式有3種：①水冷熱傳導散熱；②靠6個合金散熱器散熱；③靠風扇對散熱部件及熱管進行排風、強制對流。

1.2 初步散熱設計

由于功率模組發(fā)熱量最大，因此采用定制水冷散熱的方式，具體管路初步布置如圖2所示。機箱外置冷源，進、出水口都安置在底部，水路從底部進入可以降低流速，提高與各部件之間的換熱時間，從而提高換熱效率。

2 初步結構溫度場仿真分析

2.1 仿真模型簡化

此電源機箱由功率模組、直流接觸器、濾波電抗器、IGBT、變壓器、EMI和控制板等組成，通過UG建立模型。由于仿真模型結構復雜，將產(chǎn)生大量網(wǎng)格數(shù)，無論從計算時間還是仿真的精度要求都需要對模型進行必要的簡化：①去除不影響結構及部件功能性的倒角、螺釘孔等，將電子模塊作為一個實體，其元器件內(nèi)部結構忽略；②忽略設備中線纜在工作中的功耗；③體積小、熱量小的器件如濾波器等在建模時設定為無熱量不導熱模塊；④簡化掉與流道無關的復雜結構的同時保證模型的尺寸與真實仿真對象相同。

2.2 初始條件與邊界條件的設置

分析類型選擇內(nèi)部，排除不具備流動條件的腔，設定熱交換系數(shù)為5 W/(m2k)；為驗證極端環(huán)境工況，設定外部流體溫度為50 ℃，初始殼體溫度為40 ℃，外壁面粗糙度為20 μm，計算結果精度設置為4級。

圖1潛艇電源設備原結構圖2電源設備水冷散熱管路初步布置

2.3 網(wǎng)格劃分與計算

將重點檢測的單元局部細化，選擇優(yōu)化薄壁面解析選項，細化流體網(wǎng)格選項，細化部分網(wǎng)格與固體網(wǎng)格選項，啟用狹長通道細化選項。最終劃分網(wǎng)格數(shù)為8 183 866，迭代382次后結果收斂。

2.4 初步仿真結果分析

得到的初步仿真結果如圖3所示。為達到系統(tǒng)熱控制設計指標，從圖3中可以看出3個問題：

(1) 由于散熱設計的局限性與發(fā)熱元件分布的不合理性，導致差模感抗電容以及EMI輸出端溫度過高，應把最高溫度控制在90 ℃以內(nèi)，可根據(jù)初步仿真的流道軌跡圖改進內(nèi)部結構，減少流道物理阻隔，創(chuàng)建更加合理的風道。

(2) 由于內(nèi)部元器件溫度差過大，因此應平衡內(nèi)部散熱目標分配量，將有限的散熱能力平衡地分配給高溫組件。

(3) 系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)風量不足，應當加大風機進風量，加大風機換熱翅片密度。

顯然當前的狀況不能滿足正常工作的需要，因此針對上述3個問題進行改進。

圖3 潛艇電源機箱溫度場及流場分布

3 改進后結構設計及仿真結果

3.1 散熱改進設計

通過對初步散熱模型仿真結果的分析可知，功率模組冷卻過快，而其他熱源散熱情況不夠理想。由于整套散熱系統(tǒng)的總體散熱能力是一定的，因此應當適當降低對功率模塊的換熱系數(shù)，將更多的散熱目標分配給機箱底部的IGBT、EMI等高溫組件。改進后冷卻水經(jīng)過軸流風扇時水溫更低，有助于降低系統(tǒng)內(nèi)部風溫。同時將冷卻風扇中的冷排換熱翅片進行加密，既可以提高水冷換熱效率也可以進一步降低冷卻氣流溫度，提高系統(tǒng)散熱效果，將功率模塊的冷排管路簡化，減少回路數(shù)，降低對功率模塊的換熱效率。

3.1.1 風扇布置

在電子設備的強迫風冷中，如果采用單臺風機達不到溫升控制要求，則可采用幾臺風機聯(lián)合工作來達到對風量或壓力的要求；串聯(lián)風機可以提高氣流輸送壓力，并聯(lián)風機可以在保證風壓不變的前提下提高風量[4-5]?？紤]機箱風道的阻力曲線較小，本設計采用并聯(lián)風機的方案，將風機的葉輪置于風道下游，有利于氣流形成全展開流。

3.1.2 風道布置

為了合理地分配和組織氣流沿預定的方向流動，以達到最佳冷卻效果，需要進行風道設計。由于系統(tǒng)中默認采用射流式風道，而氣流沒有導向板和固定邊界的約束，因此冷卻效果較差[6]。

為使風量在各支路中均勻分配，采用隔板式風道設計，在進口處設置隔板。

3.1.3 印制電路板的合理間距

經(jīng)流場分布看出：底層印制電路板與大功率變壓器間隙不合理，既不利于風道布置，也不符合印制電路板之間的合理間距，經(jīng)計算表明豎直安裝的印制電路板其最小間距應為19 mm，以防止自然流動的收縮或阻塞[7]。

改進后的電源設備水冷散熱管路布置如圖4所示。

圖4 改進后電源設備水冷散熱管路布置

3.2 改進后仿真設計結果分析

3.2.1 溫度場仿真結果

改進后結構的溫度場仿真結果如圖5所示。

圖5 改進后的結構溫度場仿真結果

從圖5可以看出：最高溫度點單向輸出濾波電抗溫度下降11 ℃，功率模組下降4 ℃，其余發(fā)熱平均下降5 ℃～6 ℃。

3.2.2 流場仿真結果

改進后結構的流場仿真結果如圖6所示。

從圖6可以看出：系統(tǒng)循環(huán)風量大大增加，針對性的冷卻設計使系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)風的溫度降低，從而大大降低了整體部件的工作溫度，對于角落部位單向輸出濾波電抗器等風量不足區(qū)域減少了物理設計的阻隔，提高了工作件表面的流量，工作溫度明顯降低。

圖6 改進后結構的流場仿真結果

3.3 分析結果與測試結果比較

按優(yōu)化方案完成監(jiān)測電子設備設計，并加工組裝后在環(huán)境溫度為50 ℃時，順利通過了感溫試驗環(huán)境的相關條目測試和120 h可靠性考核，達到了系統(tǒng)熱控制要求。使用美國Degree control公司的熱測試系統(tǒng)對機箱內(nèi)部主要發(fā)熱元器件進行表面溫度監(jiān)測，監(jiān)測結果如表1所示。

表1 溫升誤差統(tǒng)計表

由表1可以看出：軟件分析結果與實際測量結果接近，滿足正常工程設計要求。

4 結語

本文利用FLoEFD軟件對艦載電源設備的初始結構進行了溫度場的仿真分析，根據(jù)仿真結果顯示出的問題提出了改進方案，通過對散熱冷板、風扇、風道的多層調(diào)整改善了散熱目標分布的不均勻性，優(yōu)化了溫度場的分布，對于機箱內(nèi)部部分過熱元件通過仿真結果預先制訂了針對性散熱方案。通過對改進前、后的溫度場分布比較可以看出：基于FLoEFD的電子設備溫度場和流場仿真技術可以預先對設計好的產(chǎn)品的極限負荷工況進行模擬，有效地避免了電子設備調(diào)試再生產(chǎn)時間，縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本，提高了研發(fā)效率[8]。同時電子設備熱設計是一項復雜且無法定向的問題，更多時候需要經(jīng)驗與理論的結合，多次的實驗與仿真計算才能制定出較好的散熱方案。

參考文獻：

[1] 楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].第3版.北京：高等教育出版社,1998.

[2] 李波,陳文鑫.FloEFD流動與傳熱仿真入門及案例分析[M].北京：機械工業(yè)出版社,2015.

[3] 王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社,2004.

[4] Sloan,Joel L.Design and packaging of electronic equipment[M].[s.l.]:Van Noatrand Reinhold,1985.

[5] 邱海平.電子元器件及儀器的熱控制技術[M].北京：電子工業(yè)出版社,1991.

[6] 余建祖.換熱器原理與設計[M].北京：北京航空航天大學出版社,2006.

[7] 余建祖,高紅霞,謝永奇.電子設備熱設計及分析技術[M].北京：北京航空航天大學出版社,2008.

[8] Castillo E,Nogal M,Lozano-Galant J A,et al.Solving some special cases of monomial ratio equations appearing frequently in physical and engineering problems[J].Mathematical Problems in Engineering,2016(11):1-25.