一種小型艦載相控陣天線熱設(shè)計(jì)

孟慶鵬，陸 敏

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003;2.海軍指揮學(xué)院浦口分院，南京 211800)

0 引言

某小型艦載相控陣天線屬于露天設(shè)備，主要由天線罩、上行組件、下行組件、子陣接收機(jī)、氣液熱交換器等組成，形成一個(gè)封閉系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。天線開(kāi)機(jī)狀態(tài)下，上行組件、下行組件、子陣接收機(jī)和太陽(yáng)輻射等產(chǎn)生許多熱量，使內(nèi)部溫度升高，影響天線工作。因此，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，選擇合適的冷卻方式進(jìn)行冷卻。

根據(jù)熱量產(chǎn)生形式、熱流密度和安裝位置不同，選擇液冷和風(fēng)冷相結(jié)合的方式散熱。子陣接收機(jī)、上行組件等發(fā)熱量大，采取液冷方式散熱，太陽(yáng)輻射和下行組件發(fā)熱通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)置氣液熱交換器提供的循環(huán)冷風(fēng)帶走，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)天線的溫度控制。液冷部分主要從冷卻液選擇、冷卻液流量和系統(tǒng)壓損計(jì)算等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)結(jié)果設(shè)計(jì)冷卻機(jī)柜，本文不作詳述。本文主要對(duì)天線內(nèi)部需要通過(guò)風(fēng)冷帶走的熱量進(jìn)行計(jì)算、仿真和驗(yàn)證。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

1 熱計(jì)算

天線內(nèi)部需通過(guò)風(fēng)冷帶走的熱量主要由太陽(yáng)輻射和下行組件發(fā)熱產(chǎn)生。根據(jù)電訊設(shè)計(jì)要求，整個(gè)天線要求提供進(jìn)風(fēng)溫度不高于25℃、回風(fēng)溫度不高于35℃的循環(huán)冷風(fēng)。

1.1 天線內(nèi)外熱量傳遞原理

天線工作時(shí)，外界環(huán)境的熱量分3個(gè)過(guò)程傳入天線內(nèi)部，即外壁外界空氣與天線罩外壁的自然對(duì)流換熱、天線罩內(nèi)外壁之間導(dǎo)熱和內(nèi)部空氣與天線罩內(nèi)壁的強(qiáng)迫對(duì)流換熱，熱量傳遞示意圖見(jiàn)圖2。根據(jù)熱阻理論，3個(gè)過(guò)程熱阻分別為R1、R2和R3，其中

圖2 天線內(nèi)外熱量傳遞示意圖

1.1.1 外界空氣與天線罩外壁自然對(duì)流熱阻計(jì)算

(1）外界環(huán)境綜合溫度計(jì)算

由于天線罩表面同時(shí)受到太陽(yáng)輻射和外界環(huán)境溫度的熱作用，外表面得到的熱量為

其中，hc1為外界環(huán)境與天線罩外壁的對(duì)流換熱系數(shù)(W/m2·℃），t0為外界環(huán)境溫度(℃），tw為天線罩外壁溫度(℃），tz為外界環(huán)境綜合溫度(℃）。

考慮長(zhǎng)波輻射后，外界環(huán)境綜合溫度為

(2）外界空氣與天線罩外壁對(duì)流換熱熱阻計(jì)算外界空氣與天線罩外壁對(duì)流換熱系數(shù)按照?qǐng)D3 流程進(jìn)行計(jì)算。

圖3 對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算流程圖

計(jì)算中，當(dāng)tz和tz1溫度下空氣導(dǎo)熱系數(shù)λ 幾乎一致時(shí)，即認(rèn)為此時(shí)計(jì)算達(dá)到收斂，此時(shí)的溫度tz為外界環(huán)境綜合溫度，根據(jù)hc1=(tz－t0+M）ξI 得出外界空氣與天線罩外壁對(duì)流換熱系數(shù)，最終計(jì)算出外界空氣與天線罩外壁對(duì)流換熱熱阻R1。

1.1.2 天線罩內(nèi)外壁之間導(dǎo)熱熱阻計(jì)算

天線罩自身導(dǎo)熱熱阻由天線罩材料和物理性能決定，與外界環(huán)境沒(méi)有關(guān)系。天線罩結(jié)構(gòu)采用蜂窩狀、空氣夾層結(jié)構(gòu)，其有效實(shí)體傳熱面積η=0.4，導(dǎo)熱系數(shù)0.314 W/(m2·℃），壁厚0.01 m，帶入熱阻計(jì)算公式計(jì)算出天線罩內(nèi)外壁之間導(dǎo)熱熱阻R2。

1.1.3 內(nèi)部空氣與天線罩內(nèi)壁強(qiáng)迫對(duì)流熱阻計(jì)算

式中，Nu為努塞爾數(shù)，λ為定性溫度下冷卻流體的導(dǎo)熱系數(shù)，D為特征尺寸。當(dāng)Re＜105時(shí)，流體作層流流動(dòng)，Nu=0.66Re0.5;當(dāng)Re≥105時(shí)，流體作紊流流動(dòng)，Nu=0.032Re0.8，其中，雷諾數(shù):式中，v為冷卻流體的流速，υ為定性溫度下冷卻流體的運(yùn)動(dòng)粘度。

1.2 外界環(huán)境傳入天線內(nèi)熱量計(jì)算

當(dāng)大氣環(huán)境溫度T0=65℃時(shí)，假設(shè)天線罩外壁空氣與天線罩之間為自然對(duì)流，天線罩內(nèi)壁空氣與天線罩之間為強(qiáng)迫對(duì)流。在氣液熱交換器工作下天線罩內(nèi)空氣平均溫度Ta=30℃，此時(shí)在不考慮外部熱交換條件下，天線罩達(dá)熱平衡狀態(tài)。

根據(jù)1.1.1 計(jì)算方法得到天線罩外部空氣的綜合溫度:

外界環(huán)境與天線罩外壁強(qiáng)迫對(duì)流換熱熱阻為

天線罩內(nèi)外壁之間熱傳導(dǎo)熱阻為

根據(jù)強(qiáng)迫對(duì)流熱阻公式，內(nèi)部空氣與天線罩內(nèi)壁強(qiáng)迫對(duì)流換熱熱阻為

由天線罩的綜合導(dǎo)熱系數(shù)公式:

得到天線罩的綜合換熱系數(shù)為K=7.455 W/(m2·℃）。

根據(jù)公式Q1=KA(tz－ta），A為天線罩散熱面積，計(jì)算得到通過(guò)天線罩傳入的熱量為Q1=1315 W。

1.3 下行組件發(fā)熱計(jì)算

單個(gè)下行組件工作時(shí)發(fā)熱量3 W，總熱量為Q2=64×5.5.=352 W。

1.4 氣液熱交換器風(fēng)量計(jì)算

計(jì)算后得到天線罩內(nèi)需要通過(guò)強(qiáng)迫空氣對(duì)流帶走的熱量為Q=Q1+Q2=1667 W，因此選擇氣液熱交換器制冷量需大于1667 W，經(jīng)過(guò)論證選擇制冷量為2000 W 氣液換熱器。氣液熱交換器需提供冷卻空氣流量為

式中，Q為氣液熱交換器制冷量，Q=2000 W;C為30℃時(shí)空氣比熱，查表為C=1005 J/ (kg·℃ ）;ρ為30℃時(shí)空氣密度，查表為ρ=1.165 kg/m3;Qv為冷卻空氣流量;△t為冷卻空氣進(jìn)、出口溫差，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取10℃。則氣液熱交換器需提供冷卻空氣流量:

2 熱仿真和驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)天線創(chuàng)建模型，劃分網(wǎng)格，運(yùn)用工程熱分析軟件ESC 進(jìn)行仿真，天線內(nèi)部溫度30℃，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，熱源為64個(gè)下行組件，單個(gè)組件產(chǎn)生熱量為5.5 W。天線內(nèi)部通過(guò)氣液熱交換器提供風(fēng)量673.2 m3/h 冷卻循環(huán)冷風(fēng)，送風(fēng)風(fēng)向見(jiàn)圖1，氣液熱交換器兩側(cè)回風(fēng)。仿真得到天線內(nèi)部流場(chǎng)和組件溫度場(chǎng)分布分別見(jiàn)圖4和圖5。結(jié)果顯示，天線內(nèi)部最大風(fēng)速為7.5 m/s，最高溫度為48.9℃，滿足天線正常工作要求。

圖4 天線內(nèi)部流場(chǎng)分布

圖5 組件溫度分布

運(yùn)用此方案進(jìn)行樣機(jī)研制，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試下行組件表面溫度最高為45.2℃，位置與仿真結(jié)果一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某小型艦載相控陣天線進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)。選擇氣液混合冷卻方式散熱，運(yùn)用空氣綜合溫度理論進(jìn)行了熱量計(jì)算，利用工程軟件ESC 進(jìn)行了仿真，并采用該冷卻方式進(jìn)行了樣機(jī)研制，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

［1］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［3］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2001.