王棟棟，劉復(fù)興，張榮，楊金堂

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北武漢 430081；3.寶武集團(tuán)鄂城鋼鐵有限公司煉鋼廠，湖北鄂州 436099；4.武漢東湖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430212)

0 前言

紅外相機(jī)是一種運(yùn)用光學(xué)成像物鏡接收物體的紅外輻射能量分布，反映到光敏元件上，獲得可見的紅外熱圖像采集的電子設(shè)備。紅外相機(jī)在夜場監(jiān)控、高溫測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是其正常工作的環(huán)境溫度為-10～50 ℃，為了在某些高溫環(huán)境場合能夠使用，需要針對性地設(shè)計紅外相機(jī)的冷卻方式及裝置。

目前，國內(nèi)外對這類電子設(shè)備的冷卻研究并不多。湯魁利用熱電冷卻效應(yīng)設(shè)計了一個監(jiān)控攝像機(jī)散熱裝置，能夠保持?jǐn)z像機(jī)防護(hù)罩內(nèi)部的溫度在一定范圍內(nèi)，在室外40 ℃高溫環(huán)境下，保護(hù)罩內(nèi)部平均溫度達(dá)到27 ℃，在70 ℃高溫環(huán)境下，保護(hù)罩內(nèi)部平均溫度達(dá)到約50 ℃。張平和唐良寶研發(fā)出一種實(shí)現(xiàn)空空熱交換的裝置，能夠讓電子設(shè)備在地劣環(huán)境中穩(wěn)定并持久地工作。楊祺等人對紅外窗口進(jìn)行了主動冷卻和被動熱防護(hù)的數(shù)值模擬，驗證了主動冷卻技術(shù)在紅外窗口應(yīng)用的可行性。韓海銀等表明在發(fā)熱功率增大的情況下，大功率電子器件的散熱器溫度下降趨勢隨著入口流量的增大而減小。包冰國利用高效逆流冷卻塔技術(shù)保證了冷卻塔長期穩(wěn)定可靠、高效運(yùn)行。STAFFORD和FORTUNE通過研究軸流風(fēng)扇的氣流動力特性，推斷出散熱出口形狀可以影響風(fēng)扇氣流以及散熱量的結(jié)論。NARCY等研究兩相散熱器在電子冷卻中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在散熱器內(nèi)部，由于流體被限制引起了受限的沸騰現(xiàn)象。ARANZABAL等提出了一個比較傳統(tǒng)的單相水/乙二醇液體和創(chuàng)新兩相冷卻技術(shù)，用于汽車領(lǐng)域。

基于以上研究，針對某型號紅外相機(jī)設(shè)計一種三態(tài)隔熱冷卻裝置的結(jié)構(gòu)。區(qū)別于常用的單一冷卻方式，其創(chuàng)新點(diǎn)在于結(jié)合了隔熱材料、水冷卻、空氣冷卻三層措施，并且設(shè)計特定的流體通道，增大換熱面積，從而使裝置更好地起到隔熱降溫的作用。除此之外，該裝置還具有一定的自潔功能，能夠代替普通人工清潔石英玻璃。對冷卻裝置的隔熱冷卻效果進(jìn)行傳熱仿真分析，驗證是否能滿足內(nèi)部空間溫度在50 ℃以下。

1 三態(tài)隔熱冷卻裝置的設(shè)計

在沒有隔熱冷卻裝置時，相機(jī)直接暴露在環(huán)境溫度下工作時，如圖1(a)所示。紅外相機(jī)產(chǎn)生的熱量與周圍環(huán)境的熱量進(jìn)行交換，最終達(dá)到平衡。當(dāng)環(huán)境溫度高于50 ℃時，平衡點(diǎn)所對應(yīng)的溫度過高，會造成相機(jī)性能嚴(yán)重下降甚至燒毀相機(jī)。本文作者認(rèn)為，高溫環(huán)境下相機(jī)的冷卻首先要隔絕外部環(huán)境的熱量，原理如圖1(b)所示，通過端蓋開合將紅外相機(jī)放入三態(tài)隔熱冷卻裝置內(nèi)部，隔絕外界高溫環(huán)境的熱量。

圖1 原理示意

本文作者設(shè)計了一套符合圖1(b)示意的三態(tài)隔熱冷卻裝置。圖2所示為針對某型號的紅外相機(jī)而設(shè)計的帶有支架的三態(tài)隔熱冷卻裝置外觀，該裝置呈圓筒形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為對稱形式。

圖2 三態(tài)隔熱冷卻裝置外觀

圖3所示為三態(tài)隔熱冷卻裝置中隔熱冷卻結(jié)構(gòu)的半剖面圖。該裝置主要特點(diǎn)：

(1)按照先阻滯熱量傳遞再進(jìn)行冷卻降溫的思路，該裝置由外到內(nèi)依次是隔熱材料層、水冷卻層、空氣冷卻層，隔熱材料層通過RFC異型隔熱件極低的導(dǎo)熱系數(shù)能夠阻滯外界高溫環(huán)境的熱量傳遞；

(2)水冷卻層是該裝置的核心冷卻層，通過設(shè)計好的特殊水流通道，讓冷卻水能夠環(huán)繞地往返流動，最大限度地帶走部分外界環(huán)境傳遞進(jìn)來的熱量；

(3)單一方向的空氣流動，能帶走少部分熱量，同時，通過環(huán)形分布的出氣口，能對石英玻璃起到清潔的作用。

圖3 隔熱冷卻結(jié)構(gòu)

該裝置中的線路通孔是套有隔熱管的數(shù)據(jù)線和電源線連接內(nèi)部設(shè)備和外部設(shè)備的通道，三態(tài)隔熱冷卻裝置的內(nèi)部空間基本可以視為相對封閉。為了在300 ℃的工作環(huán)境中把裝置相對封閉的內(nèi)部空間溫度降低到50 ℃以下并保持玻璃的潔凈度，使紅外相機(jī)正常工作，環(huán)形隔熱層材料由RFC異型隔熱件造型而來，在零件連接過程中安裝在隔熱材料層；RFC異型隔熱件由玻璃纖維和高溫樹脂復(fù)合，經(jīng)過特殊發(fā)泡工藝形成，是一種新型的高溫隔熱異型制品，其導(dǎo)熱系數(shù)非常低，為29～32 mW/(m·K)，可任意造型，按照需求做成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隔熱件，非常符合復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及較薄的隔熱場合。

流體流動的過程具體如下：

(1)冷卻水從進(jìn)水口流入，流進(jìn)環(huán)形的冷卻水第一層通道，經(jīng)冷卻水第一層通道與冷卻水第二層通道之間的鍵形孔，流入環(huán)形的冷卻水第二層通道中，冷卻水再經(jīng)過出水口流出；

(2)空氣由進(jìn)氣口進(jìn)入，流經(jīng)環(huán)形的空氣冷卻層，再由石英玻璃附近的多個出氣口流出;當(dāng)裝置未工作時，可單獨(dú)將壓縮空氣的氣管與進(jìn)氣口連接并增大進(jìn)氣壓力，通過石英玻璃旁的出氣口流出的空氣會對玻璃表面進(jìn)行清潔。

2 數(shù)值計算理論及湍流模型選擇

2.1 流體控制方程

三態(tài)隔熱冷卻裝置內(nèi)水、空氣的流動情況和傳熱模擬計算是個很復(fù)雜的問題，需通過CFD進(jìn)行計算驗證。傳熱模擬計算遵循流體三大方程，具體如下所示：

(1)質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)：

(1)

式(1)為質(zhì)量守恒方程的一般形式，可用于可壓縮流體和不可壓縮流體的計算。式中：為流體微元的密度；為時間；為流體速度；源項為分散的從第二相中或者任何其他定義的源添加到連續(xù)相的質(zhì)量。

(2)動量守恒方程：

(2)

此動量守恒方程是在慣性系中的動量守恒描述，式中：為靜態(tài)壓力；為應(yīng)力張量；為物理模型中其他源項。

(3)能量守恒方程:

(3)

自然界目前只存在3種基本的傳熱方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。熱傳導(dǎo)和熱對流是該裝置存在的主要傳熱現(xiàn)象。式中：為流體微元溫度；為流體傳熱系數(shù)；為定壓比熱容；為黏性耗散源。

2.2 湍流模型

湍流模型經(jīng)過長期的發(fā)展，已具有一定的預(yù)測能力，但是至今沒有得到有效的、統(tǒng)一的湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)-模型自從被LAUNDER和SPALDING提出后，就成為工程流體計算的主要工具，適用于邊界層、射流、尾跡流等的模擬，對強(qiáng)分離流、強(qiáng)壓力梯度和大曲率的流動、缸內(nèi)湍流等的預(yù)測能力較弱。Rerlizable-模型是在標(biāo)準(zhǔn)-模型基礎(chǔ)上經(jīng)過完善和提升得到的，該模型為湍流黏性增加了一個可用公式并且為耗散率提供了新的傳輸方程；Rerlizable-模型對圓柱射流、旋轉(zhuǎn)流動、二次流等的預(yù)測更精確。利用Rerlizable-模型可更好地描述文中所述裝置中水和空氣的旋轉(zhuǎn)流動。

3 CFD傳熱數(shù)值仿真

3.1 三維計算域模型處理

三態(tài)隔熱冷卻裝置整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在數(shù)值仿真計算中會增加很多不規(guī)則網(wǎng)格的數(shù)量，導(dǎo)致計算量大大增加。文中的研究核心是三態(tài)隔熱冷卻裝置中內(nèi)部空間的溫度分布，檢測內(nèi)部空間溫度是否滿足紅外相機(jī)工作溫度低于50 ℃的要求。因此，必須對原裝置模型按照研究核心的方向進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)簡化，同時忽略對流體流動和傳熱影響較小的結(jié)構(gòu)，以減少計算量，得到所需要的數(shù)據(jù)。用COMSOL自帶的穩(wěn)態(tài)傳熱模塊中的Rerlizable-模型模塊導(dǎo)入簡化后的模型，其半截面如圖4所示。

圖4 計算模型半截面簡化圖

由于內(nèi)部空間的紅外相機(jī)以及對應(yīng)的安裝支架對內(nèi)部空間的溫度幾乎沒影響，在圖4所示的計算模型中選擇去掉以減少計算時間。在簡化后的計算模型中，流體區(qū)域有空氣域和水域，由圓筒固體區(qū)域限制而成，裝置底部有一個進(jìn)氣口，石英玻璃附近有9個出氣口，呈圓形分布相互錯開；進(jìn)水口和出水口則分別位于裝置后端的底部和頂部。

3.2 網(wǎng)格劃分

圖5所示為整個裝置計算域的網(wǎng)格劃分，固體域采用常規(guī)大小的網(wǎng)格，在其他區(qū)域以及流體域相關(guān)的邊界進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以提高仿真計算的準(zhǔn)確性。

圖5 計算模型網(wǎng)格

3.3 邊界條件

進(jìn)水口流速為3 m/s、進(jìn)氣口流速為1 m/s，9個小出氣口和出水口為壓力出口，出口壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，進(jìn)口流體的溫度都為20 ℃。

表1所示為設(shè)置的普通鋼、隔熱材料、石英材料的導(dǎo)熱系數(shù)。水、空氣的導(dǎo)熱系數(shù)則選用COMSOL材料庫自帶的隨溫度壓力變化的導(dǎo)熱系數(shù)表達(dá)方式。

表1 相關(guān)材料導(dǎo)熱系數(shù)

裝置壁面以及石英玻璃壁面設(shè)置為wall，COMSOL傳熱模塊系統(tǒng)有自帶的環(huán)境與圓筒薄面自然對流換熱的選項，設(shè)置圓筒長高度為0.243 m、圓柱直徑為0.136 m，在環(huán)境熱屬性參數(shù)中，環(huán)境溫度設(shè)置為300 ℃，整個計算模型涉及的邊界條件具體如表2所示。

表2 邊界條件名稱及類型

4 實(shí)驗結(jié)果分析

4.1 流體的流速對內(nèi)部空間平均溫度的影響

在圓筒結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料不變的情況下，進(jìn)口的流體速度是影響內(nèi)部空間溫度的最主要因素。由于冷卻水是最常用的冷卻方式，以冷卻水的進(jìn)口流速為例，在進(jìn)氣口流速為1 m/s的條件下，取內(nèi)部空間的平均溫度為參考對象，研究進(jìn)水口速度對內(nèi)部空間平均溫度的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 內(nèi)部空間平均溫度變化曲線

由圖6可知：當(dāng)進(jìn)水口流速增大，內(nèi)部空間的平均溫度變??；當(dāng)進(jìn)水口流速約小于3 m/s時，內(nèi)部空間平均溫度下降幅度較大；當(dāng)進(jìn)水口流速約大于3 m/s時，內(nèi)部空間平均溫度下降幅度趨向于平緩。適當(dāng)增大進(jìn)水口流速可提高裝置的隔熱冷卻效果，根據(jù)圖6可取進(jìn)水口流速為3 m/s、進(jìn)氣口流速為1 m/s來研究內(nèi)部空間具體的溫度分布。

4.2 不同冷卻措施對內(nèi)部空間平均溫度的影響

在不改變第4.1節(jié)結(jié)論的情況下，以存在的措施對內(nèi)部空間平均溫度的影響作比較，結(jié)果如表3所示。

表3 不同措施對內(nèi)部空間平均溫度的影響

當(dāng)只有隔熱材料層時，由于隔熱材料層只起阻滯熱量傳遞的作用，隨著時間的推移，其內(nèi)部空間的溫度最后會達(dá)到與環(huán)境溫度一樣的300 ℃。在冷卻性能方面，冷卻水層是冷卻效果最好的一層，空氣冷卻層除了承擔(dān)部分冷卻作用，還起到非常重要的自潔石英玻璃的作用。因此，結(jié)合3種方式對紅外相機(jī)所處的內(nèi)部空間進(jìn)行降溫。

4.3 特殊設(shè)計的水通道中湍流狀態(tài)

為最大化提高裝置的冷卻效果，本文作者針對水冷卻層設(shè)計了特殊通道，不但可以使水流由裝置尾部進(jìn)入，流經(jīng)裝置頭部后再流回裝置尾部流出，盡可能地多帶走熱量，而且可以讓水流在通道內(nèi)形成環(huán)形繞流，從而達(dá)到破壞邊界層、增加湍流度、提高換熱效率的作用。對照圖3所示的冷卻結(jié)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)水口流速為3 m/s時，水通道中部分流線如圖7所示。

圖7 水通道流線

由圖7可看到：進(jìn)水口進(jìn)入的水流在通道里做非常明顯的環(huán)流運(yùn)動；在水流通道內(nèi)，距離進(jìn)水口越遠(yuǎn)，環(huán)流的狀態(tài)越不明顯且流速就越小；同時間段內(nèi)，水流在通道前半段的換熱效果優(yōu)于在通道后半段的換熱效果。

4.4 內(nèi)部空間溫度分布

經(jīng)過上述研究，本文作者在結(jié)合3種隔熱冷卻方式基礎(chǔ)上，確定以水流速3 m/s、空氣流速1 m/s作為起始條件，分析內(nèi)部空間表面以及內(nèi)部的溫度分布云圖是驗證裝置隔熱冷卻效果最直接、有效的方式。內(nèi)部空間邊界溫度的分布如圖8所示。

圖8 內(nèi)部空間邊界溫度的分布

由于隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，隔熱效果好，水和空氣與裝置發(fā)生較大的熱量交換，導(dǎo)致內(nèi)部空間的溫度較低，內(nèi)部空間的邊界溫度分布呈中間低、兩端略高的分布狀態(tài)。其中，最高溫度出現(xiàn)在接觸端蓋壁面的前端表面，可達(dá)到48 ℃。這是由于中間部分的空氣完全處于環(huán)形的隔熱材料層、水冷層和風(fēng)冷層的三層冷卻作用下，而兩端的空氣則是直接與石英玻璃以及端蓋接觸，其溫度必然會高于內(nèi)部空間中間的溫度。即導(dǎo)致內(nèi)部空間的空氣溫度升高的熱量主要來源于兩端的石英玻璃壁面和端蓋壁面?zhèn)鬟f的熱量。

圖9所示為內(nèi)部空間截面的溫度分布云圖?？芍鹤罡邷囟瘸霈F(xiàn)在靠近石英玻璃的球形局部空間，可達(dá)48.8 ℃，但是并未出現(xiàn)在紅外相機(jī)的主要位置范圍內(nèi)，參照圖3紅外相機(jī)的位置可知，這對紅外相機(jī)的正常工作不會產(chǎn)生影響。其余空間溫度低于50 ℃，最低溫度出現(xiàn)在內(nèi)部空間的中心處，低至33.4 ℃，完全滿足紅外相機(jī)正常工作的條件。

圖9 內(nèi)部空間溫度的ZX截面

5 結(jié)論

(1)從紅外相機(jī)應(yīng)用場合的需求出發(fā)，相比于傳統(tǒng)單一方式的冷卻裝置，本文作者結(jié)合隔熱材料、水冷、風(fēng)冷3種方式，設(shè)計了一款適用某型號紅外相機(jī)的三態(tài)隔熱冷卻裝置。其中，特殊設(shè)計了水通道，與傳統(tǒng)S形分布的圓形管道相比，它極大地增強(qiáng)了換熱效果，空氣通道的設(shè)計不但能夠起到相應(yīng)的冷卻作用，還能夠起到石英玻璃自潔的作用。

(2)通過CFD軟件進(jìn)行驗證，在300 ℃的外部環(huán)境溫度下，以進(jìn)水口流速為3 m/s、進(jìn)氣口流速為1 m/s以及流體溫度20 ℃為條件，詳細(xì)分析了影響換熱效果的各個因素，并通過裝置外表面和內(nèi)部空間的溫度分布情況，得出紅外相機(jī)所在的內(nèi)部空間溫度最高點(diǎn)為48.8 ℃、最低點(diǎn)為33.4 ℃，在紅外相機(jī)正常工作的溫度條件內(nèi)。

(3)在實(shí)際應(yīng)用中，如果隔熱冷卻裝置外部環(huán)境低于300 ℃，可適當(dāng)降低進(jìn)水口流速和進(jìn)氣口流速，以間接調(diào)節(jié)三態(tài)隔熱冷卻裝置的隔熱冷卻效果，在保證紅外相機(jī)正常的工作環(huán)境溫度前提下，節(jié)約水電資源。