翁夏

（西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

近年來(lái)，綜合化電子設(shè)備機(jī)架的規(guī)模越來(lái)越大，且其中的熱耗也存在不斷上升的趨勢(shì)。由于平臺(tái)的限制和可靠性的要求，這一類的機(jī)架越來(lái)越多地采用穿通強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式：即使用自帶風(fēng)機(jī)，將強(qiáng)迫風(fēng)引至機(jī)架內(nèi)部的模塊表面，對(duì)各模塊進(jìn)行冷卻。由于機(jī)架設(shè)備總體的供給風(fēng)與各模塊接受到的冷卻風(fēng)之間存在強(qiáng)耦合的關(guān)系，因此設(shè)備總體難以將分解后的供風(fēng)邊界條件提供給模塊研發(fā)團(tuán)隊(duì)，從而導(dǎo)致在研發(fā)過(guò)程中，模塊熱設(shè)計(jì)存在多輪迭代的現(xiàn)象。文中將對(duì)設(shè)備供給風(fēng)和模塊接受風(fēng)之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行解耦分析，并通過(guò)研究得到一種工程化的氣流分解方法。

對(duì)于大型機(jī)架簡(jiǎn)化分析的問(wèn)題，Jeffrey Rambo等[1]從數(shù)值分析的角度，給出了機(jī)架級(jí)的緊湊模型可有效描述全尺寸跨尺度數(shù)據(jù)中心的結(jié)論。針對(duì)狹窄通道的換熱問(wèn)題，已有部分學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。王增輝等[2]擬合得到了過(guò)熱氣在環(huán)形狹縫中的換熱公式。Liu Jiazeng 等[3]在方形通道內(nèi)對(duì)蒸汽的傳熱進(jìn)行了研究，得到了半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。Tae Seon Park[4]采用了數(shù)值模擬的方式，研究了不同板間距對(duì)傾斜狀態(tài)平板換熱的影響。另外，Shricant D (Londhe)等[5]和Turkoglu H 等[6]分別針對(duì)分布熱源的豎直通道展開(kāi)了研究，闡述了熱輻射對(duì)混合對(duì)流的影響，得到了換熱效果與Re 數(shù)、Gr 數(shù)的關(guān)聯(lián)趨勢(shì)。Omer F Can[7]使用數(shù)值模擬的方式，給出了流體流經(jīng)通道非圓形障礙物的關(guān)聯(lián)式。Eric Salcedo 等[8]使用二維數(shù)值模擬的方式，研究了多種物理參數(shù)的變化對(duì)混合對(duì)流傳熱的影響。

1 分解方法與原理

由于在大型電子設(shè)備機(jī)架中，不利于直接進(jìn)行模塊級(jí)的測(cè)試和試驗(yàn)（尤其是研發(fā)初期的測(cè)試），因此應(yīng)設(shè)計(jì)一種小型測(cè)試夾具，并使得被測(cè)模塊在該夾具中受到與放置在大型機(jī)架中相同的冷卻效果，如圖1所示。

圖1 分解示意

根據(jù)相似原理，凡是彼此相似的現(xiàn)象，都有一個(gè)十分重要的特性，即描寫該現(xiàn)象的同名特征數(shù)（即準(zhǔn)則數(shù)）對(duì)應(yīng)相等[9]。根據(jù)牛頓冷卻公式，對(duì)流換熱的熱流密度可表達(dá)為：

式中：h 為對(duì)流換熱系數(shù)；Δt 為傳熱溫差。

Nu 數(shù)（努賽爾數(shù)）的定義為：

式中：l 為特征長(zhǎng)度；λ 為流體導(dǎo)熱系數(shù)。因此，相似對(duì)流傳熱現(xiàn)象的Nu 數(shù)應(yīng)相等。

在大型電子設(shè)備機(jī)架和小型風(fēng)冷測(cè)試夾具中，冷卻空氣流動(dòng)的路徑可近似為狹縫中的強(qiáng)迫對(duì)流。Novikov P A 等[10]提出了狹縫中湍流條件下的換熱關(guān)聯(lián)式，當(dāng)Re＞5 600 時(shí)，有：

式中：Re 為雷諾數(shù)；Kl為入口段修正系數(shù)，其數(shù)值根據(jù)表1 進(jìn)行確定（當(dāng)Re 在5 600～32 000 之間時(shí)）。

由此，只要保證分解夾具中被測(cè)模塊兩側(cè)冷卻風(fēng)的Nu 數(shù)與大型機(jī)架中相等，則兩者具有相同的傳熱特性。由于Kl是常數(shù)，因此為了保證相同的Nu數(shù)，必須保證Re 數(shù)相等。因此，需要保證狹縫中的空氣流速和狹縫特征長(zhǎng)度相等。由于氣流狹縫是由被測(cè)模塊與其附近模塊的間隙共同形成的，在間隙寬度相等的情況下，只要保證分解夾具和大型機(jī)架模塊間的空氣流速相等（在截面積固定的前提下，即保證間隙中的流量相等），即可保證兩者的換熱效果相當(dāng)。

表1 Kl 與狹縫尺寸的關(guān)聯(lián)

大型風(fēng)冷機(jī)架在設(shè)計(jì)上往往采取靜壓腔的方式進(jìn)行流量分配，各流道的流量較為一致。因此，設(shè)大型機(jī)架具有n1條風(fēng)道，分解夾具具有n2條風(fēng)道，則分解夾具需求的風(fēng)量為：

2 流量計(jì)算

2.1 測(cè)試接口設(shè)計(jì)

以某大型綜合機(jī)架作為研究對(duì)象，為了對(duì)比各種測(cè)試接口的異同，分別設(shè)計(jì)了常規(guī)、漸擴(kuò)和漸縮三種結(jié)構(gòu)的接口，如圖2 所示。接口的一段與大型機(jī)架的出風(fēng)口連接，另一端與流量計(jì)連接。

2.2 測(cè)試接口流動(dòng)仿真

使用FloTHERM 軟件，采用有限體積法（FVM）對(duì)包含模塊、風(fēng)機(jī)組和測(cè)試接頭的大型機(jī)架進(jìn)行流動(dòng)仿真。在有限體積法中，將計(jì)算的區(qū)域劃分成一系列控制容積，每個(gè)控制容積都有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作代表。通過(guò)將守恒型的控制方程對(duì)控制容積做積分來(lái)導(dǎo)出離散方程[11]。有限體積法主要通過(guò)三大守恒定律來(lái)計(jì)算網(wǎng)格中的各物理量。

1）質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）：

2）動(dòng)量守恒方程（Navier-Stokes 方程）：

圖2 測(cè)試接口

u-動(dòng)量方程

v-動(dòng)量方程

w-動(dòng)量方程

3）能量守恒方程：

本仿真采用Automatic Algebraic 湍流模型進(jìn)行計(jì)算。該模型屬零方程Reynolds 渦粘模型。Automatic Algebraic 湍流模型由FloTHERM 軟件自動(dòng)計(jì)算湍動(dòng)黏度。軟件會(huì)計(jì)算每一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的特征長(zhǎng)度，湍動(dòng)黏度取決于網(wǎng)格內(nèi)的特征長(zhǎng)度和速度[12]。

該機(jī)架共含有17 條流道，采用了6 臺(tái)J70FZW522-40G 型風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱。仿真CFD 模型如圖3 所示，單臺(tái)風(fēng)機(jī)曲線如圖4 所示。

圖3 仿真CFD 模型

圖4 J70FZW522-40G 型風(fēng)機(jī)P-Q 曲線

流量仿真結(jié)果見(jiàn)表2。安裝常規(guī)測(cè)試接口時(shí)，總流量為394m3/h；安裝漸擴(kuò)測(cè)試接口之后，總流量為408 m3/s；安裝漸縮測(cè)試接口之后，總流量為396m3/s。根據(jù)仿真結(jié)果，采用流量衰減相對(duì)較小的漸擴(kuò)測(cè)試接口進(jìn)行測(cè)試。

2.3 實(shí)際流量推算

按照局部壓力損失公式[13]，該測(cè)試接頭的局部流阻為：

表2 風(fēng)機(jī)工作流量

突然收窄處的局部流阻為（收縮截面面積比A0/A1=0.022，ζ=0.49）：

因此，有：

代入本案例中的數(shù)據(jù)，可得Δpc=81 Pa。6 臺(tái)J70FZW522-40G 型風(fēng)機(jī)并聯(lián)后的壓力-流量曲線如圖5 所示。通過(guò)測(cè)試，得出風(fēng)量，將其標(biāo)在曲線上可得出壓力p1,T。由于測(cè)試系統(tǒng)比實(shí)際系統(tǒng)多出了測(cè)試夾具的流阻 Δpc，因此可得實(shí)際流阻為：p1=p1,T-Δpc。將p1標(biāo)注在曲線上，即可得到實(shí)際流量= 583 m3/h。

圖5 6 臺(tái)J70FZW522-40G 型風(fēng)機(jī)并聯(lián)后的壓力-流量曲線

3 分解夾具設(shè)計(jì)及計(jì)算

在本案例中，采用具有4 條流道的分解夾具。根據(jù)式（4），可得到分解夾具所需要的流量= 137 m3/h。選用兩臺(tái)J70FZW510-40G 型風(fēng)機(jī)，對(duì)分解夾具進(jìn)行仿真。在此過(guò)程中，通過(guò)對(duì)流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整分解夾具的風(fēng)量，使其接近于2V˙。通過(guò)流動(dòng)仿真，可得分解夾具中各風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 分解夾具中各風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

此時(shí)，分解夾具中的工作流量與實(shí)際流量幾無(wú)差異，可以認(rèn)為兩者中的被測(cè)模塊周圍的對(duì)流相似。由于兩者的傳熱效果相同，可以使用分解夾具來(lái)測(cè)試被測(cè)模塊的傳熱特性。

4 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)相似對(duì)流的方式，對(duì)大型電子設(shè)備機(jī)架的風(fēng)冷氣流進(jìn)行了形式和數(shù)值上的分解，使得實(shí)際工程中的模塊熱測(cè)試工作得到了簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化的主要流程為：將包含了測(cè)試接口的大型機(jī)架進(jìn)行流動(dòng)仿真，選擇流阻相對(duì)較小的接口進(jìn)行測(cè)試；在大型機(jī)架上加裝測(cè)試接口，對(duì)其工作流量進(jìn)行測(cè)試；計(jì)算測(cè)試接口的流阻；在風(fēng)機(jī)曲線上得到實(shí)際機(jī)架的流阻與流量；計(jì)算分解夾具的工作流量；對(duì)分解夾具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)迭代仿真的方式，確定最接近于其設(shè)計(jì)工作流量的結(jié)構(gòu)形式；將被測(cè)模塊安裝在分解夾具中，即可得到與大型機(jī)架相同的傳熱環(huán)境。簡(jiǎn)化后，各模塊研發(fā)團(tuán)隊(duì)可使用分解夾具對(duì)模塊進(jìn)行熱測(cè)試，并得到與在大型機(jī)架中進(jìn)行測(cè)試相似的結(jié)果。