基于流-固耦合的船用電源模塊流場及溫度場分析

張藝耀，龍文楓，肖 霆，別 瑜，陳 革

應用研究

基于流-固耦合的船用電源模塊流場及溫度場分析

張藝耀，龍文楓，肖 霆，別 瑜，陳 革

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文以某采用強迫風冷的船用不間斷電源為例，介紹了其柜體內部的回路結構，并利用有限元仿真軟件Icepak對其進行流-固耦合仿真計算，得到該模塊的內部風道流場和穩態溫度場。提出了一種新的風冷系統優化方法，降低了功率器件的最高溫度，使得系統溫度分布更加合理，優化后散熱效果達到設計要求。該優化方法可為電力器件柜體散熱提供一種思路。

電源模塊 流固耦合 流體場 溫度場

0 引言

當今，電力推進系統因為其安裝靈活、易于獲得理想的特性、運行可靠、輕振、環保等優點，越來越廣泛地應用到了現代船舶領域當中。隨著電力電子技術的不斷完善，船舶電源模塊的研究取得了較好的發展。然而，電力模塊中的電力電子器件的損耗發熱現象一直是研究人員重點關注的問題，過高的溫升會導致電力器件的失效，這將直接影響到整個電力系統的工作可靠性[1]。為了保證電源模塊的穩定運行，有必要對其進行溫度場分析。

目前計算電力器件溫升的方法大致有兩種：熱路模型法和計算機仿真法。其中，熱路模型法是通過對研究對象熱傳遞路徑的分析，建立與電路相似的熱路模型，代入傳熱系數，計算出目標位置的溫升情況[2]。但是該方法的計算精度較低，并且不能得到研究對象整體的溫度分布情況。隨著計算機技術及場域仿真技術的發展，采用電子計算機使用數值算法計算電器的溫度場，可以得到較為準確的結果，并且能夠得到研究對象的溫度分布情況[3]。

計算機仿真技術中的有限元法在近些年中有很大的發展，己經成功地解決了一些流動及對流換熱問題。國外在有限元分析軟件領域已經有許多較為成熟的產品問世，其中影響較大的有Ansys有限元分析軟件包等，已有較多研究人員利用其對電子設備進行了溫度仿真[4-9]，并取得了一定的研究成果。

本文將針對某船用不間斷電源模塊，利用Ansys平臺下Icepak軟件對其進行穩態溫度場和流體場仿真計算，根據仿真結果對其散熱系統進行優化，使得優化后溫升結果達到設計要求。

1 求解模型的確定

1.1 物理模型

該電源功率模塊的三維結構模型如圖1所示，圖（a）中1為散熱器，2為進風口，3為頂部風機位置（風機圖中未畫出），4為電容模塊，5為MOSFET模塊組（從左往右，其中第1～6個模塊為逆變模塊，7～9為充放電模塊，10～12為整流模塊）。圖1(b)所示為該電源模塊冷卻風路示意圖，冷空氣從下側進風口進入，流經散熱器經過熱交換后，通過上風道抽風機流出系統外，所選用的風機型號為TXB060S-190AB。模塊總體散熱要求：各功率模塊穩態最高溫度不能超過70℃。

圖1 電源模塊模型

為了方便模型的網格劃分，首先對電源模塊三維模型進行簡化，刪去模型的連接緊固件以及不影響仿真結果的結構特征，得到如圖2所示的簡化計算模型。在Icepak中對模型進行網格劃分，網格類型選擇非結構化網格，劃分完成后總單元數為2, 538, 755，體網格與模型實體貼合緊密，網格質量較好。

圖2 簡化后計算模型

1.2 數學模型

電源模塊內部流-固耦合分析包括兩個過程：一是發熱元件損耗產生的熱量通過熱傳導的方式傳遞到散熱器的外表面，二是散熱器表面的空氣通過對流和輻射的方式將熱量傳遞出去。該過程須滿足三大基本守恒定律：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。其中所涉及的守恒方程如下所述[10]：

1）質量守恒方程：

式中：為密度，為時間，u為速度矢量，S為源項。

2）動量守恒方程：

式中：為靜壓；為應力張量；g和F分別為方向上的重力體積力和外部體積力，其中F包含了其他模型的相關源項。

3）能量守恒方程：

式中：c為比熱容；為溫度；為流體傳熱系數；S為黏性耗散項。

1.3 求解假設及條件設置

仿真采用二階求解計算，設置湍流計算模型，忽略太陽熱輻射、海拔等影響，環境溫度設為20℃。將逆變模塊、充放電模塊、整流模塊設為熱源，損耗功率密度按體平均分配，功率大小如表1所示。

表1 單個功率模塊損耗大小（W）

2 計算結果及分析

2.1 電源模塊流體場分布

散熱器翅片的長度和密度對柜體散熱效果有著重要影響，翅片參數設置得越合理，翅片表面和流體之間的熱交換量越大，則系統的散熱性能越好。

圖3 風道流場和流速云圖

圖3（a）為計算完成后電源模塊的內部流場示意圖，（b）為截面流速云圖，可以看出散熱器中間部分流速較大，兩側流速較小。意味著散熱器中間部分翅片與流體熱交換量較大，散熱效果較好；兩側部分翅片與流體熱交換量較小，散熱效果較差。

2.2 電源模塊溫度場分布

功率模塊及散熱器的溫度云圖如圖4所示，可見整流模塊的溫升最高，最高溫度達到近71.1℃，逆變模塊溫度在52℃左右，充放電模塊溫度相對較低，在42℃左右。從整體上看，各發熱模塊的溫度分布較為不均勻，發熱較嚴重的部分集中在右側，且最高溫度已經超過設計要求所允許的溫度上限70℃，因此尚需對模塊散熱系統進行優化，使散熱效果達到設計要求。

在進行柜體設計的過程當中，當系統最高溫度超過允許溫度上限時，常用的解決辦法有：采用更大功率的風機、加大散熱器的尺寸、修改柜內器件布局等。但是這些方法可能會給系統帶來振動噪聲性能不達標、系統承重增加等新的問題，倘若重新設計電氣柜體的構造則會花費較大的精力。

圖4 功率模塊溫度分布云圖

考慮到散熱器兩側的風速及流量較小，而損耗發熱功率最大的整流模塊集中在右側，只需設法提升散熱器右側的風速即可。

3 風路優化及結果分析

3.1 優化方法

根據上述分析，本文提出一種新的風路優化思路，即在逆變模塊和充放電模塊對應的散熱器位置下方放置一風路阻尼板（如圖5所示），增大該區域風路的流阻，使其值遠大于整流模塊部分，在不改變風機型號和散熱器參數的情況下，提高整流模塊部分散熱器的風速和流量。

圖5 風路優化示意圖

本案例中，所選用的阻尼板長758.5 mm，寬152 mm，通風孔的直徑為10 mm，開孔率為0.34（空氣能流過的面積與整板面積之比）。

3.2 優化后流體場分析

仿真模型中加入風路阻尼板后，重新劃分網格、計算然后得出結果。由于下方風路阻尼板的存在，即阻尼板上方部分散熱器的風路入口截面積減小，流體流阻增大，散熱器翅片間流體流量降低，因此冷風與翅片之間的熱交換量亦下降。而在風機正常工作，即風機總體風量及風壓未發生顯著改變時，右側未放置風路阻尼板的散熱器部分由于流阻較小，因此其間通過的流體流量大，流速快，流體與翅片間的熱交換量亦增加，散熱效果增強。

圖6 優化后截面流速云圖

圖6為散熱器下方放置阻尼板后的截面流速云圖，圖7為優化前后散熱器翅片風路出口處流速對比圖，表2為各功率模塊所對應的散熱器風道出口處的平均流速。

圖7 優化前后散熱器流速對比

可以看出，加入風路阻尼板后，逆變模塊和充放電模塊對應的散熱器部分的平均流速有所下降，降幅約為0.2至0.4 m/s左右，而整流模塊對應的散熱器部分的流速則有較大幅度的增加，增幅約為0.86 m/s，仿真結果與上述分析是一致的。

表2 各模塊風道流速（m/s）

3.3 優化后溫度場分析

根據上述分析，由于阻尼板上方部分的散熱器翅片間風速、流量較小，翅片與流體熱交換量小，熱量無法傳遞出系統外而停滯，因此散熱效果較差；而阻尼板右側部分散熱器由于翅片與流體熱交換量較大，熱量能夠較好地傳遞出系統外，因此散熱效果更好。

圖8為優化后功率模塊和散熱器的溫度場云圖，圖9為優化前后散熱器橫向位置的溫度對比折線圖。可以看出加入風路阻尼板后，由于散熱器翅片各區域間風速的變化，逆變模塊和充放電模塊的溫度均有所上升，升幅約為3℃，而整流模塊部分的溫度總體上下降了約5℃。表3給出了各功率模塊在優化前后的最高溫度大小情況，可見優化后各模塊的最高溫度均控制在允許溫度上限70℃范圍以內，優化后系統的散熱效果達到設計要求。

圖8 優化后功率模塊溫度云圖

圖9 散熱器橫向溫度對比

表3 各模塊最高溫度（℃）

本系統的逆變模塊和充放電模塊的損耗發熱功率較小，系統達到熱穩態時模塊溫度距離散熱要求上限70℃尚有足夠的裕量，因此在放置阻尼板后散熱效果降低的情況下，左側逆變和充放電模塊仍然滿足散熱要求。而整流模塊體積小，損耗發熱功率較大，發熱集中在右側，阻尼板的加入會使板右側邊緣部分小范圍內區域的風速得到較大提升，使得整流模塊部分的散熱效果得以集中強化，故該模塊整體溫升進一步降低了5℃左右，風路優化方法取得了預期中的效果。

4 總結

1）本文通過建立船用不間斷電源的三維模型，并基于流-固耦合思想利用Ansys平臺下的Icepak軟件，對該電源模型進行內部流場及溫度場仿真計算，得到了該模型達到穩態時的流體、溫度分布情況。

2）針對系統發熱分布不均問題提出了一種新的風路優化方法，在不改變內部風道結構的情況下優化了散熱器各位置的風量分配，有效降低了整流模塊的最高溫度，使得各功率模塊的溫度分布梯度更加合理，優化后系統整體滿足散熱要求。該優化方法可為電氣柜體散熱設計提供參考。

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Analysis of fluid field and temperature field of marine power module based on fluid-solid coupling

Zhang Yiyao, Long Wenfeng, Xiao Ting, Bie Yu, Chen Ge

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

TN86

A

1003-4862（2022）02-0047-05

2021-11-01

張藝耀（1996-），男，碩士。研究方向：電工理論與新技術。E-mail: yiyaozhang712@qq.com