劉亞龍, 陸 玥, 張發(fā)洋, 劉 宇

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海201109)

0 引言

有源相控陣?yán)走_(dá)具有波束掃描、多目標(biāo)快速搜索、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),是現(xiàn)代彈載雷達(dá)的主流發(fā)展方向[1]。發(fā)射/接收(Transmitter/Recei ver,T/R)組件作為有源相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭的關(guān)鍵部件[2],在工作時(shí)約70%的電功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁β蔥3],巨大的熱量會(huì)降低其工作性能和可靠性[4-6]。液冷冷板是液冷散熱系統(tǒng)中起到換熱作用的關(guān)鍵部件。影響液冷冷板換熱效能的因素很多,包括流道形式、流道截面尺寸、進(jìn)出液口位置,冷卻液種類、流速、流量等[7-8]。其中,冷板內(nèi)部流道形式對(duì)于系統(tǒng)散熱效能有重要影響。

相控陣陣面的溫度分布差異(陣面溫度一致性)對(duì)各個(gè)T/R組件相位一致性影響顯著[9-10],相位一致性差會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降。因此,在散熱的同時(shí)保持陣面溫度的均勻分布尤為重要。本文基于Icepak熱分析軟件,針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)陣面散熱問(wèn)題,以液冷冷板流道形式為研究對(duì)象,開(kāi)展了仿真設(shè)計(jì)和分析優(yōu)化,設(shè)計(jì)了一種反向并行流道形式的液冷冷板,并將其與S型、分支型流道冷板進(jìn)行了散熱效能仿真對(duì)比。

1 Icepak仿真理論與模型構(gòu)建

1.1 Icepak仿真理論

熱仿真分析軟件Icepak適用于電子設(shè)備電路板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)熱仿真,以及發(fā)熱和散熱分析。集成了殼體、印制電路板(PCB)、風(fēng)扇、散熱器等常用模型和豐富的材料庫(kù),可模擬強(qiáng)迫對(duì)流、傳導(dǎo)、流固耦合傳熱等多種傳熱形式[11]。

液冷冷卻屬于不可壓縮、常物性、無(wú)內(nèi)熱源的三維對(duì)流傳熱問(wèn)題[12]。對(duì)液體介質(zhì)做傳熱仿真分析時(shí),需要作如下假設(shè)[8]:

a)流體物性參數(shù)為常數(shù);

b)流體為不可壓縮的無(wú)間隙連續(xù)介質(zhì);

c)忽略輻射散熱和自然對(duì)流的影響;

d)流體為單相流體;

e)不考慮熱源與冷板間的接觸熱阻。

液冷冷卻過(guò)程中發(fā)生的熱交換可根據(jù)牛頓冷卻公式計(jì)算,熱交換量Q表達(dá)式為

式中:h為換熱系數(shù);A為換熱面積;T1和T2分別為出口和進(jìn)口處的冷卻液溫度。

1.2 Icepak液冷散熱仿真模型構(gòu)建

三維幾何模型可通過(guò)Geometry-Design Modeler軟件轉(zhuǎn)化為Icepak的可識(shí)別模型,導(dǎo)入Icepak后設(shè)置環(huán)境參數(shù)、熱參數(shù)、邊界條件和求解參數(shù)等,進(jìn)行建模求解。Icepak提供了Hexa Unstructured、Hexa Cartesia、Mesher-HD三種網(wǎng)格類型,通過(guò)對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密、劃分連續(xù)與非連續(xù)網(wǎng)格,控制網(wǎng)格質(zhì)量。用CFD-Fluent求解器進(jìn)行求解,當(dāng)求解殘差值達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)或迭代次數(shù)等于預(yù)設(shè)迭代次數(shù)時(shí),認(rèn)為計(jì)算收斂并結(jié)束求解。

典型液冷系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。液泵將冷卻液從儲(chǔ)箱壓入冷板,迫使冷卻液循環(huán)流動(dòng),熱源傳遞給冷板的熱量由冷卻液帶入換熱器,換熱器通過(guò)風(fēng)扇將冷卻液的熱量耗散到大氣中,降溫之后的冷卻液繼而流回儲(chǔ)箱。

圖1 典型液冷冷卻系統(tǒng)工作原理圖

仿真模型中,相控陣?yán)浒迨侵睆綖?00mm、厚度為10mm的薄圓柱體,冷卻液進(jìn)口、出口各兩個(gè)。冷板表面均勻分布著直徑為4.5mm的接插件預(yù)留孔,布置冷板內(nèi)部流道需避開(kāi)接插件預(yù)留孔。熱源(T/R組件)簡(jiǎn)化為厚2mm的薄片,熱源表面與冷板表面緊密貼合,如圖2所示。冷板和熱源材質(zhì)選擇Al-2024-T6鋁合金,冷卻液選擇純水,Al-2024-T6鋁合金和純水的主要物性參數(shù)見(jiàn)表1。仿真中環(huán)境溫度與冷卻液初始溫度恒為20℃。

在后處理中,提取熱源的最低溫度TL、最高溫度TH、平均溫度TM、溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ和溫度分布云圖作為冷板散熱效能評(píng)判指標(biāo)。其中,溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ的表達(dá)式為

式中:Ti為各測(cè)量點(diǎn)溫度;n為測(cè)量點(diǎn)數(shù)量。σ越小,說(shuō)明區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)溫度越趨近于平均溫度,即溫度一致性越好。

圖2 冷板及熱源結(jié)構(gòu)示意圖

表1 純水與Al-2024-T6鋁合金的主要物性參數(shù)

2 反向并行流道形式液冷冷板

學(xué)者們研究和對(duì)比了多種形式流道冷板的散熱效能,包括S型、平行型、分支型、網(wǎng)格型、菱形、螺旋形等流道排布形式[5,13]。采用這些流道形式的冷板所無(wú)法避免的一個(gè)問(wèn)題是冷板不同區(qū)域溫度差異顯著。其原因是冷卻液在流動(dòng)過(guò)程中溫度不斷升高,換熱能力逐漸弱化,在流道末段難以有效起到換熱作用。冷卻效果相對(duì)流道初段變差,導(dǎo)致冷板散熱一致性不佳。

為解決上述問(wèn)題,設(shè)計(jì)了圖3所示的反向并行流道冷板。該冷板有兩條互不聯(lián)通的流道圍繞著預(yù)留孔盤(pán)繞分布,兩條流道互相平行且冷卻液流向相反。流道1的初段與末段分別對(duì)應(yīng)著流道2的末段與初段,一條流道換熱能力的強(qiáng)區(qū)域與弱區(qū)域分別對(duì)應(yīng)著另一條流道的弱區(qū)域與強(qiáng)區(qū)域。兩條流道的換熱能力互為補(bǔ)充,有利于平衡冷板散熱能力差別和提高溫度一致性。

圖3 反向并行流道冷板示意圖

3 三種流道形式冷板散熱效能對(duì)比

3.1 對(duì)照組流道冷板設(shè)計(jì)

為對(duì)比分析反向并行流道冷板的散熱效能,另外設(shè)計(jì)了S型流道和分支型流道兩種冷板,示意圖分別見(jiàn)圖4和圖5。三種冷板外形尺寸相同,均包含兩條互不連通的流道,流道截面均為2mm×6mm的矩形。

圖4 S型流道冷板示意圖

圖5 分支型流道冷板示意圖

3.2 Icepak熱仿真模型構(gòu)建

將熱源、冷板和流道模型導(dǎo)入至Icepak中,建立三種冷板的換熱效能仿真模型。設(shè)置熱源功率為2kW,冷卻液流量分為1,2,3,4,5L/min共5個(gè)梯度。采用Mesher-HD方法劃分網(wǎng)格并進(jìn)行優(yōu)化,最終得到網(wǎng)格數(shù)量約80萬(wàn)個(gè)。計(jì)算模型設(shè)置為T(mén)urbulent中的Zero Equation。開(kāi)始求解后經(jīng)過(guò)約100次迭代,檢測(cè)得到的熱源溫度、冷卻液出口溫度趨于穩(wěn)定,殘差值達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn),求解過(guò)程結(jié)束。在后處理中提取三種冷板的TL、TH、TM和σ,如圖6所示。仿真得到的冷卻液流量3L/min時(shí)的典型熱源溫度分布云圖如圖7所示。

3.3 熱仿真結(jié)果分析

由仿真結(jié)果分析可得:

a)隨著冷卻液流量的遞增,熱源溫度不斷下降,同時(shí)降幅逐漸趨緩,說(shuō)明冷卻液流量的增加能夠提升散熱效能,但流量增加到一定程度后,散熱效能的提升將不再顯著;

b)熱源溫度分布云圖表明三種類型流道冷板的散熱能力都存在著“強(qiáng)區(qū)”、“弱區(qū)”,S型流道冷板的上下兩端、反向并行流道冷板的中心區(qū)域存在較小的高溫區(qū),反向并行流道冷板的高溫區(qū)溫度更低且面積更小,而分支型流道冷板的高溫區(qū)溫度高且面積大;

c)任一流量條件下,反向并行流道的溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ顯著低于S型和分支型流道,說(shuō)明在反向并行流道冷板冷卻的條件下,熱源的點(diǎn)溫度最趨近于熱源平均溫度,其散熱均溫性能最優(yōu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)T/R組件散熱問(wèn)題,以陣面溫度和溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ(溫度分布一致性)為主要指標(biāo),對(duì)于液冷冷板流道設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真研究。設(shè)計(jì)了一種具有流道散熱能力互為補(bǔ)充特點(diǎn)的反向并行流道冷板,并將其與S型、分支型流道冷板進(jìn)行了散熱效能仿真對(duì)比。仿真結(jié)果表明:反向并行流道冷板具有良好的散熱效能和最佳的陣面溫度分布一致性,為相控陣?yán)走_(dá)陣面液冷冷板的均溫性設(shè)計(jì)提供了參考。