蔡 煜，姚國富，張 波

應(yīng)用研究

基于FlowMaster仿真的變頻器水冷管路優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔡 煜，姚國富，張 波

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文介紹變頻器冷卻系統(tǒng)水冷管路優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化變頻器水冷管路的管件材料、直徑、長度以及支管路串并聯(lián)方式等降低變頻器水冷管路進(jìn)出口壓差，從而降低變頻器水冷管路流阻，確保變頻器在水冷系統(tǒng)中獲取足夠冷卻水流量。

水冷管路 FlowMasterV7 參數(shù) 優(yōu)化

0 引言

隨著電子設(shè)備的功能越來越復(fù)雜、性能越來越強(qiáng)勁，其熱功率密度也隨之呈現(xiàn)出越來越大的趨勢，原有的強(qiáng)迫風(fēng)冷逐漸被水冷所取代。高效的水冷系統(tǒng)需要低流阻的水冷管路，否則，會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的冷卻效率，提高系統(tǒng)對(duì)水泵的參數(shù)要求，如功率、揚(yáng)程、振動(dòng)噪聲等。因此，為了提高變頻器水冷系統(tǒng)的性能與效率，需要利用專業(yè)的仿真軟件對(duì)水冷管路進(jìn)行流阻優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 優(yōu)化參數(shù)

根據(jù)水冷管路的流阻計(jì)算公式：=Δ/可知，影響流阻的主要因素是Δ（管路進(jìn)出口壓強(qiáng)差，又稱壓降）與（流速），壓降ΔP主要由沿程阻力損失h和局部損失h構(gòu)成。其中，沿程阻力損失的計(jì)算公式為：h=λ（l/）（2/2），局部阻力損失的計(jì)算公式為：h=ζ（2/2）。由上述公式可知，壓降Δ受沿程損失系數(shù)λ、局部損失系數(shù)、管路長度、管路直徑等參數(shù)影響。另外，在復(fù)雜的水冷管路中，總流阻還受各支路串并聯(lián)關(guān)系的影響。因此，在水冷管路中流速不變的條件下，通過對(duì)水冷管路管件材料、管件長度、管件直徑、變截面管件類型和數(shù)量、支管路之間的連接形式等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，對(duì)現(xiàn)有型號(hào)的變頻器水冷管路進(jìn)行流阻仿真計(jì)算，并對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 仿真模型

變頻器水冷管路由功率模塊支路、電抗器支路、換熱器支路、預(yù)充電支路、制動(dòng)電阻支路等支路與主回路構(gòu)成。主回路管材選用316L不銹鋼，管徑DN50；支路管材選用PU軟管，管徑DN10；換熱器支路與制動(dòng)電阻支路之間采用串聯(lián)的方式連接。水冷管路三維模型如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前管路三維模型

為了有效降低變頻器水冷管路流阻，我們針對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1）將各支路PU軟管改為純銅管；

2）將各支路管件管徑由DN8改為DN10；

3）將換熱器支路與制動(dòng)電阻支路之間采用串聯(lián)改為并聯(lián)。

圖2 優(yōu)化后管路三維模型

3 仿真計(jì)算

為了獲得有效的仿真計(jì)算結(jié)果，在將三維模型簡化為一維模型時(shí)，盡量使模型中相關(guān)接近實(shí)際的使用情況，對(duì)包括管件長度、材料特性、接頭參數(shù)、彎頭數(shù)量與參數(shù)進(jìn)行合理地設(shè)置。此外，我們選用在船舶行業(yè)常用的格蘭富水泵的性能參數(shù)作為仿真模型中流量源的參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。

水冷管路主要由直管道、彎頭、閥門及被冷卻元件等幾種元件組成。設(shè)置邊界條件時(shí)，需要將直管道、彎頭及閥門的參數(shù)輸入元件中，對(duì)于被冷卻元件需要對(duì)被冷卻元件的模型進(jìn)行三維特性分析或試驗(yàn)測量，得到元件的流量特性曲線，將結(jié)果輸入模型中。

3.1 管道元件的設(shè)置

管道元件的模型如圖3所示。

圖3 管道元件模型

管道元件主要設(shè)置管道內(nèi)徑、長度及內(nèi)表面粗糙度等參數(shù)。

3.2 彎頭元件的參數(shù)設(shè)定

彎頭元件的模型如圖4所示。

圖4 彎頭元件模型

彎頭元件主要設(shè)置彎頭的彎曲角度、彎曲半徑、內(nèi)徑及內(nèi)表面粗糙度等參數(shù)。

3.3 被冷卻元件的參數(shù)設(shè)置

被冷卻元件采用流阻元件代替，流阻元件模型如圖5所示。

圖5 彎頭元件模型

流阻元件需要設(shè)置被冷卻部件的流量特性數(shù)據(jù)。可以對(duì)被冷卻元件的模型進(jìn)行三維特性分析或試驗(yàn)測量，得到被冷卻元件在不同流量下對(duì)應(yīng)的壓力損失數(shù)據(jù)。如表1所示，為某水冷板的流量特性數(shù)據(jù)。

表1 某被冷卻元件流量特性數(shù)據(jù)

將表中的數(shù)據(jù)填入流阻元件模型中，可自動(dòng)擬合成該水冷板的流量特性曲線，如圖6所示，一般情況下被冷卻器件正向流量特性曲線和逆向流量特性曲線一致。

3.4 邊界條件設(shè)置

冷卻管路的邊界設(shè)置主要包括流量源和壓力邊界的設(shè)置。

Flow Source：流量源

Pressure Source：壓力源

通過流量源和壓力源的參數(shù)設(shè)定，可以進(jìn)行以下分析研究：

a）給定固定壓力邊界，可以研究系統(tǒng)流量與壓降的關(guān)系特性。

b）給定一個(gè)壓力邊界和流量邊界，從而研究實(shí)現(xiàn)該流量時(shí)的驅(qū)動(dòng)壓力。

圖6 某水冷板的流量特性曲線

一般情況下，在冷卻回路的輸入端設(shè)置流量源，輸出端設(shè)置壓力源。壓力源一般設(shè)置為固定值，改變流量源的參數(shù)可改變冷卻回路的給定流量，流量源連接的節(jié)點(diǎn)上的壓力與壓力源的差值即為冷卻回路在該流量下的壓力損失。

3.5 建立模型并計(jì)算

根據(jù)實(shí)際情況在FlowmasterV7軟件中完成邊界條件的設(shè)置后，對(duì)優(yōu)化前管路模型進(jìn)行管路壓降仿真計(jì)算，得到結(jié)果如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前管路模型壓降仿真結(jié)果

從優(yōu)化前管路的壓降仿真結(jié)果來看，總壓降約為1.73 bar。為了降低流阻，我們從管件直徑、管件材料、支管路串并聯(lián)方式等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體優(yōu)化內(nèi)容見表1。

我們按照表1中的優(yōu)化項(xiàng)目將優(yōu)化后的管路模型整體導(dǎo)入FlowmasterV7軟件，在不改變邊界條件設(shè)置的情況下進(jìn)行仿真計(jì)算，得到結(jié)果如圖8所示。

表1 部分管件優(yōu)化前后對(duì)比

圖8 優(yōu)化后管路模型壓降仿真結(jié)果

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的管路模型壓降為1.55 bar，管路流阻相較于優(yōu)化前降低了0.18 bar。

4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

鑒于我們?cè)谧冾l器水冷管路優(yōu)化前后設(shè)置的邊界條件未發(fā)生改變，可以認(rèn)定兩次仿真計(jì)算的結(jié)果受相同變量影響，具有可比性。

從兩次仿真計(jì)算結(jié)果可以看出：通過上述對(duì)水冷管路的管件材料、管徑以及支路連接方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)，水冷管路經(jīng)過優(yōu)化后的壓降相比于優(yōu)化前降低了10.4%，同時(shí)，也降低了水冷系統(tǒng)對(duì)水泵的功率和揚(yáng)程要求，進(jìn)一步提升了水冷系統(tǒng)的性能與效率。經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證后，證明優(yōu)化設(shè)計(jì)方案合理有效，能夠?yàn)楹罄m(xù)變頻器水冷管路的流阻設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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Optimal design based on FlowMasterfor water-cooled pipeline of frequency converter

Cai Yu, Yao Guofu, Zhang Bo

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM921.51

A

1003-4862（2022）01-0059-03

2021-05-15

蔡煜（1989-），男，工程師。主要研究方向：電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)。E-mail: csic712cy@163.com