方天宇,謝 飛,蔣爾進(jìn)

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,陜西 西安 710000)

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展,軍用相控陣?yán)走_(dá)對(duì)熱設(shè)計(jì)的要求表現(xiàn)出了2個(gè)顯著的特征:過高的熱流密度使得風(fēng)冷在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用減少,液冷技術(shù)正得到來越廣泛的應(yīng)用;均溫性的要求使得流道的結(jié)構(gòu)形式逐步由集中式向分布式過渡,由此帶來的并聯(lián)管路的流量分配正成為液冷系統(tǒng)研制的一個(gè)重要問題[1-2]。目前,介紹相控陣?yán)走_(dá)液冷技術(shù)的文獻(xiàn)較多,但是對(duì)液冷系統(tǒng)中單個(gè)冷板內(nèi)部流量分配技術(shù)詳細(xì)論述的文獻(xiàn)較少。本文結(jié)合某相控陣?yán)走_(dá)液冷系統(tǒng)的研制對(duì)單個(gè)冷板中并聯(lián)流道的流量分配問題進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

1 問題描述

本文擬針對(duì)單冷板內(nèi)并聯(lián)流道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),使得并聯(lián)流道內(nèi)的流量分布較為均勻。針對(duì)圖1所示的原始流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變,使得并聯(lián)流道內(nèi)流量分布較為均衡。針對(duì)圖1所示的流道進(jìn)行仿真,得到的流道中流速分布如圖2所示。

圖1 流道原始結(jié)構(gòu)

圖2 原始流道結(jié)構(gòu)的流速分布

可以看出:并聯(lián)流道中的流量分布極其不均勻,故此需要對(duì)流道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,使得并聯(lián)流道內(nèi)的流量分布較為均勻。

2 流道最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 流道可變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了改變并聯(lián)流道內(nèi)的流量分配,在分路的來流方向處增加三角形的導(dǎo)流塊,將三角形迎向來流一邊的長度記為Hi(i=1～15),見圖3。將15個(gè)Hi組成的向量稱之為流道變化向量,記為H。增加導(dǎo)流塊后的流道見圖4。針對(duì)每個(gè)分路導(dǎo)流塊的Hi進(jìn)行改變來調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)分路內(nèi)的流量[3-5]。

圖3 Hi示意圖

圖4 增加導(dǎo)流塊后的流道

圖5 流道結(jié)構(gòu)尋優(yōu)算法流程圖

對(duì)于不同的流道變化向量H都有不同的流量分布,下面論述如何尋找流量分布最優(yōu)對(duì)應(yīng)的流道變化向量H。

2.2 尋優(yōu)算法

本文研究的問題可以歸納為下列組合優(yōu)化問題:

find:{h1,h2,…,hM}∈{hi,|i=1,2,…,15}

(1) 給定流道變化向量H初始向量,進(jìn)行流道仿真,獲取各個(gè)分路的流量Qi,將15路分路流量Qi組成的向量稱為流量向量,記為Q;

(2) 將入口流量的1/15設(shè)為目標(biāo)數(shù)值,記為M,將M、Q代入ΔH=F(Q,M)中,計(jì)算得到流道修正向量ΔH;

(3) 將流道修正向量ΔH代入H=H+ΔH中,求得流道變化向量H;

(4) 將Hi代入仿真中進(jìn)行計(jì)算,獲取各個(gè)分路的流量Q;

(5) 計(jì)算Q的均方差進(jìn)行判斷,是否繼續(xù)循環(huán),是的話重復(fù)(2)～(4),否的話進(jìn)行(6);

(6) 將結(jié)果輸出。

各個(gè)變量定義:

流道變化向量:H={H1,H2…H15}

流量分路向量:Q={Q1,Q2…Q16}

流道結(jié)構(gòu)修正向量:ΔH={ΔH1,ΔH2… ΔH15}

流道修正函數(shù):ΔH=F(Q,M)

Matlab主要控制函數(shù):

While((N<100) &&(var(X)>0.02)) %停止條件model.component('comp1').geom('geom1').run;%更新模型

model.study("std1").run();%求解

model.result().evaluationGroup("eg1").run();%求解計(jì)算組,并輸出X至TXT

X=(dlmread('LiuLiang.txt',' ',5,0))';%偏移5行0列讀取數(shù)據(jù)

X(all(X== 0,2),:) =[];%刪除向量中的零元素。

X=-X;

M=mean(X);%取均值。

fori=1:16

DASDA=(abs(X(i)-M));

DASDA2=(0.05×M);

DASDA>DASDA2;

if(DASDA>DASDA2)%超過0.05×M進(jìn)行結(jié)構(gòu)變化,否則按照上次結(jié)構(gòu)繼續(xù)。

Y(i)=F(X(i),M);%計(jì)算Y

end

if(Y(i)>=20)

Y(i)=19.9; %超過20的話回歸。

end

end

DX(N,:)=X' %保存X結(jié)果

DY(N,:)=Y' %保存Y結(jié)果

model.param.set('H1',Y(1)); %將Y賦予模型

model.param.set('H2',Y(2));

model.param.set('H3',Y(3));

model.param.set('H4',Y(4));

model.param.set('H5',Y(5));

model.param.set('H6',Y(6));

model.param.set('H7',Y(7));

model.param.set('H8',Y(8));

model.param.set('H9',Y(9));

model.param.set('H10',Y(10));

model.param.set('H11',Y(11));

model.param.set('H12',Y(12));

model.param.set('H13',Y(13));

model.param.set('H14',Y(14));

model.param.set('H15',Y(15));

N=N+1;

end

3 流道仿真

3.1 流道仿真邊界條件

(1) 環(huán)境溫度35 ℃;

(2) 入口處冷卻液溫度為35 ℃;

(3) 冷卻液類型為去離子水。

3.2 流道仿真模型

流道仿真分析計(jì)算采用分析軟件COMSOL進(jìn)行,根據(jù)軟件建模的特點(diǎn)和要求,在保證仿真結(jié)果不失真的前提下,對(duì)仿真模型進(jìn)行了部分簡化,忽略了所有螺釘孔以及與冷板流動(dòng)關(guān)系不大的局部特征。將流道在仿真模型中分為兩部分,為獲取流量分路向量Q做準(zhǔn)備。給定流道變化向量初始值H=5。流道仿真分析模型如圖6所示。

圖6 流道仿真分析模型

運(yùn)行編制好的程序后,得到了優(yōu)化后的流道變化向量:H=[6.019 5,5.958 8,6.160 8,5.269 4,5.885 6,6.534 7,7.802 9,7.874 5,9.667 6,11.145 8,13.022 6,13.847 3,15.566 7,16.983 8,17.976 5,13.134 3]。

根據(jù)H進(jìn)行建模得到圖7所示冷板,對(duì)其進(jìn)行流量仿真,結(jié)果如圖8所示。

圖7 優(yōu)化后的流道仿真分析模型

圖8 優(yōu)化后的流道仿真分析結(jié)果

根據(jù)對(duì)流道截面上的速度在z方向的分量進(jìn)行積分得到流量分路向量:Q=[ 0.285 3,0.274 5,0.284 8,0.292 5,0.272 6,0.285 0,0.282 3,0.279 9,0.272 3,0.277 9,0.285 5,0.294 0,0.277 6,0.272 3,0.285 5,0.284 6] ·10-5m3。

可以看出Q的各個(gè)分量均在M的±5%以內(nèi),滿足10%精度的要求,認(rèn)為本次優(yōu)化的結(jié)果可用。

4 冷板熱仿真

熱仿真仿真邊界條件如下:

(1) 環(huán)境溫度35 ℃;

(2) 入口處冷卻液溫度為35 ℃;

(3) 冷卻液類型為去離子水;

(4) 32個(gè)15 W熱源共480 W。

圖9、圖10為流道優(yōu)化前后的仿真結(jié)果。

對(duì)比觀察圖9與圖10,可以明顯地發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)對(duì)多熱源的溫度一致性有了明顯提升。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)液冷冷板中并聯(lián)流道建立參數(shù)化優(yōu)化模型進(jìn)行分析計(jì)算,得到了一種可以優(yōu)化并聯(lián)流道流量分配的分析方法,對(duì)類似的單冷板上分布有多個(gè)大功率器件并對(duì)溫度一致性要求較高的情景有一定的參考意義。