于向陽(yáng)，冉澳，崔璨，徐寧，盧玲

1. 海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041

2. 武警工程大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710086

隨著現(xiàn)代航空裝備自動(dòng)化和電氣化水平的不斷提升，電接觸在電氣設(shè)備及電力電子器件中廣泛存在且“控制中樞”地位彰顯[1]。近年來(lái)，海軍航空裝備工作環(huán)境由岸基走向艦基，其高溫、高濕、高鹽的海洋環(huán)境特點(diǎn)顯著，電接觸部位電腐蝕、熱老化等隱性故障隨之而生，并嚴(yán)重制約著系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和安全。飛機(jī)各系統(tǒng)電子元件的發(fā)展呈現(xiàn)小型化、功耗高的趨勢(shì)，各個(gè)組成部分熱流量密度急劇上升。相關(guān)學(xué)者[2-3]認(rèn)為，隨著溫度的增加，電接觸損壞電子設(shè)備和電子設(shè)備電接觸失效概率的上升趨勢(shì)大幅增加，在環(huán)境溫度每升高10℃時(shí)，相關(guān)電子器件失效率升高為原來(lái)2倍以上。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查，電子設(shè)備有55%的失效率是溫度超過(guò)相關(guān)的規(guī)定值導(dǎo)致的[4]；過(guò)高的溫升會(huì)迅速引起金屬表面的電接觸點(diǎn)發(fā)生軟化，甚至使得金屬發(fā)生沸騰，造成金屬界面迅速地熔結(jié)，相互之間發(fā)生導(dǎo)體材料遷移，加速電接觸連接磨損、氧化[5]。

此外，因?yàn)殡娊佑|溫度升高，接觸電阻增大，更多的熱量就會(huì)因?yàn)楦蟮慕佑|電阻而產(chǎn)生，這種循環(huán)對(duì)于系統(tǒng)的安全性與可靠性是致命的，給飛機(jī)的安全起降帶來(lái)了巨大的安全隱患。電氣系統(tǒng)的相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，電接觸失效的因素有很多，但是80%以至更多的因素是電接觸在觸頭處的接觸電阻過(guò)大；電接觸的觸點(diǎn)因?yàn)閴m土或者液體侵入，以及包裹的絕緣材料破損等原因造成電接觸發(fā)熱，進(jìn)一步導(dǎo)致電接觸觸點(diǎn)熔焊；其中溫度引起故障的百分比達(dá)到了40%，占比最大，也表現(xiàn)了溫度在引起電接觸故障，影響電接觸可靠性方面扮演者著重要的作用[4-9]。

電接觸致熱效應(yīng)是影響在役飛機(jī)電接觸可靠性的一個(gè)重要因素，一個(gè)可行的計(jì)算電接觸致熱的方法，使我們掌握電接觸熱效應(yīng)空間分布規(guī)律。國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究大多集中于實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)安裝傳感器或紅外相機(jī)等非接觸的方法[10]，獲取表面流場(chǎng)分布，分析電接觸致熱與外部環(huán)境的關(guān)系。但傳感器的存在會(huì)破壞電接觸周?chē)牧鲌?chǎng)分布，非接觸式的溫度獲取方法受可達(dá)性的限制，對(duì)于很多處于封閉空間內(nèi)部的電接觸熱場(chǎng)分布無(wú)法直接檢測(cè)。而接觸器等大功率電氣控制器件的電接觸部位，往往存在于非金屬材料構(gòu)成的封閉體中，其致熱溫度場(chǎng)分布更加復(fù)雜，電接觸致熱導(dǎo)致的溫升對(duì)電接觸及系統(tǒng)可靠性有著更為顯著的影響[11-12]。在役飛機(jī)電接觸型號(hào)、數(shù)量繁多，分布范圍廣，且實(shí)際工況中不能單獨(dú)存在，往往作為器件的一部分來(lái)發(fā)揮功效。考慮到長(zhǎng)時(shí)間工作的可靠性，大功率接觸器件多以雙接觸體橋式結(jié)構(gòu)存在，同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)適應(yīng)性需求，含有電接觸部位的接觸體，往往外形復(fù)雜，加之外部封閉體的存在，使得其環(huán)境耦合致熱流場(chǎng)形成較為復(fù)雜的三維分布態(tài)勢(shì)[13-14]。本文將計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）與實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，針對(duì)封閉體-電接觸致熱效應(yīng)，分析其溫度流場(chǎng)分布，探究CFD方法的影響因素并驗(yàn)證其有效性，為電接觸可靠性分析及失效預(yù)先判斷開(kāi)展有益探索。

1 圓柱固定面接觸模型致熱流場(chǎng)計(jì)算

圓柱固定面接觸作為大功率接觸器件的基本結(jié)構(gòu)，其形成的致熱流場(chǎng)可以作為復(fù)雜接觸體的研究基礎(chǔ)。應(yīng)用ANSYS的spaceclim模塊建立了圓柱固定面電接觸模型，采用ICEM模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，應(yīng)用FLUENT對(duì)模型使用有限體積的方法進(jìn)行計(jì)算，分析了不同輻射模型對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的影響。

1.1 模型離散

圓柱固定面接觸模型為計(jì)算對(duì)象，定義為相互貼合的兩個(gè)圓柱形電接觸觸頭，接觸形式為面接觸。建立空間直角坐標(biāo)系，定義面接觸的圓心為計(jì)算模型原點(diǎn)，圓柱面直徑d為特征長(zhǎng)度，每個(gè)圓柱形電觸頭高度沿Y軸方向0.2d，上、下2個(gè)觸頭組成的模型厚度為0.4d。定義流體計(jì)算域中心為下觸頭圓柱面圓心，分別沿著Y軸正方向，X、Z軸雙向10d的長(zhǎng)方體區(qū)域。

采用Tetra/Mixed類(lèi)型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Robust（Octree）的網(wǎng)格生成方法。流體計(jì)算域區(qū)域底面buttom（Y=-0.2d）與下觸頭直接接觸，網(wǎng)格需要?jiǎng)澐值母蛹?xì)致，尺寸限制比全局尺寸限制小，為全局網(wǎng)格尺寸的20%。模型近壁面的邊界層網(wǎng)格采用棱柱網(wǎng)格進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，如圖1邊界層網(wǎng)格。計(jì)算域網(wǎng)格生成總網(wǎng)格數(shù)量69 673，依據(jù)行列式和角度準(zhǔn)則，進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量分析，分別為0.279 954（行列式最小值），12.646 9（角度最小值），其中小于18（角度）的單元數(shù)占比為0.061%，網(wǎng)格質(zhì)量較好。定義圓柱固定面接觸模型壁面為發(fā)熱源面，溫度設(shè)置為323.15 K（50℃），計(jì)算域壁面為固體壁，溫度與環(huán)境一致，為300 K（26.85℃）。

圖1 邊界層網(wǎng)格

1.2 數(shù)值計(jì)算

分別采用5種輻射模型，包括Monte Carlo輻射模型、P1輻射模型、Rosseland輻射模型、表面輻射（S2S）模型及離散坐標(biāo)輻射（discrete ordinates, DO）模型，采用k-epsilon湍流模型，近壁面處理為SWF(standard wall functions)，以Coupled為求解方法，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算，得到了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

不同輻射模型在X=0的截面溫度場(chǎng)分布情況，如圖2～圖6所示。

圖2 Do輻射模型

圖3 P1輻射模型

圖4 S2S輻射模型

圖5 Rosseland輻射模型

圖6 Monte Carlo輻射模型

圖2～圖4所示3種模型獲得的溫度分布云圖，在發(fā)熱體的上觸頭頂部溫度最高，熱量沿著計(jì)算域呈發(fā)射狀向外傳遞，溫度逐漸降低，梯度變化較為平滑。采用Do輻射模型、P1輻射模型、S2S輻射模型均能夠較好地計(jì)算出模型的致熱效應(yīng)。如圖5～圖6所示，Rosseland輻射模型與Monte Carlo輻射模型，在有發(fā)熱熱源面的情況下，在局部部位的溫度反而降低，甚至低于環(huán)境溫度，仿真結(jié)果與實(shí)際情況不符。

分析P1輻射模型、表面輻射（S2S）模型、離散坐標(biāo)輻射（DO）模型數(shù)值計(jì)算過(guò)程，在能得到較好的仿真結(jié)果的前提下，表面輻射（S2S）模型迭代所占用的計(jì)算資源較少，是比較理想的模型。

2 封閉體-固定接觸模型致熱流場(chǎng)計(jì)算

接觸器是一種常用的帶封閉體-電接觸結(jié)構(gòu)的大功率電氣控制器件，其主要工作部件為不規(guī)則外形的接觸片，如圖7所示。其實(shí)時(shí)工作電氣特性的變化，產(chǎn)生的致熱流場(chǎng)在空氣流體域中熱傳遞，受封閉體的阻斷，在封閉體內(nèi)、外形成復(fù)雜的三維熱流場(chǎng)分布，本節(jié)在前序模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究CFD仿真方法的有效性。

圖7 封閉體接觸片

2.1 模型離散

考慮到接觸部位的三維結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)具有非對(duì)稱(chēng)性，且存在多種曲面結(jié)構(gòu)，邊界上帶有加工切角，模型建立過(guò)程中需進(jìn)行針對(duì)性處理，如圖7所示，非規(guī)則接觸體結(jié)構(gòu)模型的外形為一個(gè)近似的橢圓，帶有一個(gè)向外延伸的叉狀結(jié)構(gòu)及凸出的2個(gè)圓柱面接觸片，整體為一個(gè)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)；考慮到邊界結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，避免在網(wǎng)格離散時(shí)對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量產(chǎn)生影響，特別是四面體網(wǎng)格與壁面的貼合性，造成數(shù)值計(jì)算結(jié)果不易收斂。采用分段細(xì)化-平滑的處理方法，定義細(xì)化間距為a，取點(diǎn)數(shù)量為b，b≥6，使得模型局部特征與實(shí)際相吻合，得到了非規(guī)則接觸體結(jié)構(gòu)模型分段細(xì)化-平滑圖，如圖8所示，進(jìn)一步生成非規(guī)則接觸體及封閉體結(jié)構(gòu)模型，如圖9所示。

圖8 分段細(xì)化-平滑處理圖

圖9 非規(guī)則接觸體及封閉體結(jié)構(gòu)模型

模型創(chuàng)建中以封閉體幾何中心為原點(diǎn)（位于不規(guī)則接觸片上部），建立空間直角坐標(biāo)系，Y軸垂直接觸面向上，Z軸負(fù)方向平行于對(duì)稱(chēng)軸，指向叉狀結(jié)構(gòu)，在非規(guī)則接觸體內(nèi)部生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（定義為固體材質(zhì)熱源）如圖10所示。在封閉體內(nèi)部生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（定義為固體材質(zhì)），在封閉體和非規(guī)則接觸體壁面之間創(chuàng)建空氣流體域，如圖11所示。

圖10 模型坐標(biāo)示意

圖11 封閉體網(wǎng)格及空氣流體域

計(jì)算域網(wǎng)格生成總網(wǎng)格數(shù)量140 019，依據(jù)行列式和角度準(zhǔn)則，進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量分析，分別為0.188 412（行列式最小值），65.692%行列式的值在0.959 302 8 ～0.999 876，9.310 58（角度最小值），其中小于18（角度）的單元數(shù)占比為0.01%，網(wǎng)格質(zhì)量較好，如圖12所示。

圖12 封閉體-固定接觸耦合模型流體域網(wǎng)格

在模型求解計(jì)算中，啟動(dòng)能量方程，湍流模型選用k-epsilon模型，近壁面處理為SWF。輻射模型采用S2S（表面到表面）模型，完成邊界條件設(shè)置非金屬封閉體及環(huán)境溫度為12.5℃，接觸片溫度設(shè)置為72.5℃，耦合模式方案為Coupled，初始化流場(chǎng)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算，得到了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

2.2 數(shù)值計(jì)算

針對(duì)非規(guī)則固定接觸體模型進(jìn)行數(shù)值再現(xiàn)，得到溫度分布云圖，分別垂直于Y、Z、X軸進(jìn)行切片化處理。當(dāng)垂直于Y軸進(jìn)行切片化處理時(shí)，分別給出了y=0.976、5.5時(shí)切面溫度分布云圖，如圖13和圖14所示。2個(gè)切面在垂直于Y軸物面上的連貫性和連續(xù)性較好，邊界結(jié)構(gòu)清晰，形成的溫度分布與結(jié)構(gòu)分布相符。

圖13 切面溫度分布云圖

圖14 切面溫度分布云圖

垂直于X軸進(jìn)行切片化處理，分別給出了x=0、8.11時(shí)切面溫度分布云圖，在非規(guī)則接觸體靠近接觸部位的區(qū)域溫度相對(duì)偏高，如圖15和圖16所示。

圖15 x=0時(shí)切面溫度分布云圖

圖16 x= 8.11時(shí)切面溫度分布云圖

2個(gè)切面在垂直于X軸物面上也展現(xiàn)了較好的連貫性和連續(xù)性，邊界結(jié)構(gòu)清晰。當(dāng)x=0時(shí)，在非規(guī)則接觸體靠近對(duì)稱(chēng)的區(qū)域，由于叉型結(jié)構(gòu)和安裝孔的存在，將該區(qū)域分為2個(gè)不連續(xù)的部分，熱阻截面較小，出現(xiàn)了2個(gè)獨(dú)立的溫度分布區(qū)域，且相對(duì)溫度偏高；當(dāng)x=8.11時(shí)，靠近非規(guī)則接觸體的區(qū)域溫度較高，形成的溫度分布與結(jié)構(gòu)分布相符，呈均勻連續(xù)的放射狀向空間輻射。垂直于Z軸進(jìn)行切片化處理，給出了z=0和z=-3.963時(shí)切面溫度分布云圖，如圖17和圖18所示。

圖17 z=0時(shí)切面溫度分布云圖

圖18 z= -3.963時(shí)切面溫度分布云圖

2個(gè)切面在垂直于Z軸物面上依然展現(xiàn)了較好的連貫性和連續(xù)性，邊界結(jié)構(gòu)清晰。當(dāng)z=0時(shí)，受到非規(guī)則接觸體觸點(diǎn)的影響，出現(xiàn)了2個(gè)獨(dú)立的溫度分布區(qū)域，且溫度分布相對(duì)集中偏高；由于中間安裝孔區(qū)域的熱阻較小，兩側(cè)的溫度呈現(xiàn)一種向中間擴(kuò)散的趨勢(shì)。當(dāng)x=-3.963時(shí)，沿結(jié)構(gòu)邊界溫度分布均勻，應(yīng)用分段細(xì)化-平滑方法取得了較好的效果。

針對(duì)封閉體-固定接觸耦合模型進(jìn)行數(shù)值再現(xiàn)，得到溫度分布云圖，分別垂直于Y、Z軸進(jìn)行切片化處理，并且獲取了封閉體表面溫度分布圖。

當(dāng)垂直于Y軸進(jìn)行切片化處理時(shí)，分別給出了y=0.005、0.008時(shí)切面溫度分布云圖，如圖19和圖20所示。

圖19 y=0.005切面溫度分布云圖

圖20 y=0.000 8切面溫度分布云圖

基于封閉體結(jié)構(gòu)的耦合模型計(jì)算出的結(jié)果，2個(gè)切面在垂直于Y軸物面上的連貫性和連續(xù)性較好，有著清晰邊界結(jié)構(gòu)。當(dāng)y=0.005時(shí)，因?yàn)榉忾]體頂部具有半球狀突起結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為空氣域，熱阻較低，溫度分布集中在此區(qū)域，且相對(duì)偏高；當(dāng)y=0.000 8時(shí)，靠近非規(guī)則接觸體溫度較高，向外溫度逐漸降低，在封閉體處的熱阻較高，受到封閉體的影響，溫度在封閉體邊界處大幅下降，封閉體外部溫度下降較為平滑，然后趨向于環(huán)境溫度，形成的溫度分布與實(shí)際結(jié)構(gòu)分布相符。

當(dāng)垂直于Z軸進(jìn)行切片化處理時(shí)，給出了z=0.016 7時(shí)切面溫度分布云圖，如圖21所示。當(dāng)z=0.016 7時(shí)，靠近非規(guī)則接觸體的區(qū)域溫度較高，形成的溫度分布與結(jié)構(gòu)分布相符，呈均勻連續(xù)的放射狀向空間輻射。

圖21 z=0.016 7切面溫度分布云圖

針對(duì)封閉體-固定接觸耦合模型進(jìn)行計(jì)算，得出封閉體表面的溫度圖，得到了明顯的溫度分布，如圖22所示。

圖22 封閉體溫度分布圖

封閉體紅外溫度圖與封閉體上的溫度分布云圖對(duì)比，如圖23所示。在封閉體上，高溫部分集中在前后兩端的圓柱型孔洞處；而側(cè)面，高溫部分集中在兩側(cè)平臺(tái)的下部。仿真結(jié)果與紅外溫度分布趨于一致，可以用于計(jì)算電接觸致熱效應(yīng)。

圖23 封閉體紅外溫度分布圖

3 結(jié)論

針對(duì)在役封閉體電接觸，應(yīng)用分段細(xì)化-平滑方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，采用S2S表面輻射模型及kepsilon湍流模型，近壁面處理為SWF，并以Coupled為求解方法，得到的穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算結(jié)果沿結(jié)構(gòu)邊界溫度分布均勻，在封閉體表面與紅外溫度譜分布趨于一致，可以用于實(shí)際電接觸致熱效應(yīng)計(jì)算與流場(chǎng)分析。