航電設備內冷通道擴展表面的傳熱與流動特性研究

胡家渝

(中國電子科技集團第十研究所，成都 610036)

在航空電子設備中，由于COTS(components off the shelves)器件的大量使用，為保證系統可靠性，需要對這些器件進行良好的冷卻處理。文獻［1］指出，航電設備熱管理的目的是將工業級元件的殼溫度控制在85℃以下。對于使用的散熱方式，文獻［1］認為模塊熱流密度在500 W/m2以下時宜采用自然對流方式，在4 000 W/m2以上時宜采用其他散熱方式，如液冷、熱管等，而在這之間的區域宜采用強迫風冷方式。在飛機上采用強迫風冷時主要的供風方式為風扇和環控(ECS)。一般使用的強迫風冷配置方式有3種形式:直接風冷、穿通風冷和傳導風冷。

由于直接風冷需要開通風孔，存在潛在的電磁兼容問題，且使用ECS的引氣可能會存在灰塵、粒子、水氣、油滴等污染因素，而穿通風冷的結構復雜，因此實際多采用傳導式機架風冷模式［2］。

1 問題的提出

某型號飛機需要采用綜合化航空電子設備，設備集成度高，同時有很高的電磁兼容和環境適應性要求，如其工作環境溫度為－55～+70℃。載機對航電設備的質量、體積有極為嚴格的要求，同時由于機上環控系統供風量十分有限，供風壓力低，且隨飛行高度增加變化范圍較大，因此某綜合化航電系統采用了機架傳導風冷的冷卻方式，通過ECS對其進行送風冷卻，供風模式如圖1所示。考慮到機上供風小壓頭底，無法采用阻力大的普通釬焊翅片作為冷板內部的擴展表面，因此采用直接銑加工的方式，在冷板中銑出叉排通道作為傳熱擴展表面，如圖2所示。如何計算風冷冷板的傳熱性能，并找出影響此類擴展表面傳熱及阻力性能的主要因素成為設計關心的主要問題。目前就已有文獻來看，采用j、f因子進行計算是比較可靠和普遍的做法。以文獻［4］為代表的試驗只對用于緊湊型熱交換器的翅片有相應的j、f數據，對采用銑制擴展表面的j、f因子還未見報道。本文通過CFD仿真計算并結合正交實驗方法對一定范圍內叉排通道進行了流動和傳熱性能計算，通過實驗對計算結果進行了驗證。在輸入流量范圍內分析了影響j、f因子的結構參數，最后總結了對應j、f因子關聯式，為工程項目的開展提供了計算依據。

圖1 常用的傳導式機架風冷

圖2 風冷機架空氣流向及冷板內部情況

2 數值計算方法及驗證

2.1 數學模型

在CFD的使用方面，所研究的對象無法使用經典的周期邊界條件來表述物理對象的流動和傳熱狀態，其原因主要有以下3點:

1)實際工程中使用的肋片進出口距離過短，基本上不可能存在處處充分發展的流態;

2)實驗研究是基于定熱流密度的前提，在這個前提下傳熱不可能呈現出周期發展的趨勢;

3)通道段必須考慮傳熱的入口段效應。

因此需采用其他對應的簡化計算措施。采用取其中一組通道的計算方法進行計算，兩個側面采用對稱邊界條件，并假設在垂直于流動方向上不存在動量和熱量交換。

在直角坐標系中，以張量形式表示的控制微分方程表示如下［3］:連續方程

動量方程

能量方程

式(1)～(3)中 i，j，k=1，2，3。固體區域內不存在動量的控制微分方程，能量微分方程(3)對固體區域仍然適用，只是固體區域內能量方程中包含的速度項均為0。對于上述翅片內導熱和空氣間相互耦合的傳熱問題，利用控制容積有限元法進行整體耦合數值求解，并使用Fluent求解器求解。

2.2 邊界條件設定

如圖3所示，該模型建立了多個邊界條件。其中上下表面為周期性邊界條件，包括一個對稱氣體面及對稱固體面、一個進口、一個出口、一個加熱面。第二類邊界條件即給出冷板底面熱流密度。具體邊界條件定義如下:

1)進口空氣流速為均勻流速U，進口溫度為Tin。本研究所使用模型的進口溫度均由實驗實測溫度確定，之后進行正交實驗時溫度均設定為300 K;

2)出口處設為壓力出口Pressure-out;

3)左右平面為對稱邊界條件(symmetry boundary conditions);

4)肋化表面通道內為耦合傳熱面(conjugate heat transfer);

5)其余壁面若未加以說明均考慮為絕熱壁面。

圖3 求解域設定(略去上蓋板)

2.3 網格劃分

在網格劃分過程中使用了多重網格技術，采用Gambit進行網格劃分，對通道上下壁面、肋片表面邊界層均采用六面體網格，并進行了加密。其余流體采用5面體網格，固體采用六面體網格。求解所用網格如圖4所示。

圖4 求解所用網格

2.4 正交試驗設計

采用正交試驗設計對參與計算的模型參數進行規劃以減少計算量，并擴大計算涵蓋的工況范圍。參與正交試驗設計的參數如圖5所示。同時參與設計的參數還有通道高度H。參與實驗的模型參數及參數水平如表1所示，CFD實驗正交表如表2所示。

圖5 參與正交實驗的各參數示意

表1 參與實驗的模型參數及參數水平

A、B、C、D、E、F 每1 列代表一個因素，各列中的數字1、2、3、4、5表示對應各次實驗的水平，每1行表示一次實驗。不難看出，全部25次實驗中，每個因素的各個不同水平出現了相同的次數(5次)，且任意因素的各種不同水平的搭配均有出現。

通過正交實驗建立了25個不同結構參數的模型，每個模型的平均網格數為60萬左右。對每個模型計算6種工況，即分別計算肋間Re數為600、700、800、900、1 000、1 100 的狀態，共需計算150個工況。

表2 6因素5水平CFD實驗正交表

2.5 數值計算結果驗證

為了驗證后續進行的CFD計算的可靠性，需要對一個典型實例進行實驗，以判斷在CFD建模和網格劃分、計算的正確性和合理性。實驗狀態如圖6、7所示。

圖6 用于驗證計算方法的實驗件實物(未裝上蓋板)

圖7 實驗件及其安裝在實驗風洞后狀態(未添加隔熱措施狀態)

實驗利用臺灣瑞領公司的LW-9266-SR風洞進行。在進行傳熱性能測試時，利用其提供的穩定氣流進行測試，在加熱板和進出口布置了熱電偶用于測量對應進出口溫度、加熱板溫度等，并計算傳熱特性。在進行阻力測試時，利用其自動SRC(即阻力特性曲線測定功能)對阻力特性進行測試，用于計算不同流量下實驗件的阻力特性。測試的結果與之前CFD的計算結果比較如圖8所示。

結果表明:仿真計算的結果是可靠的，其誤差在10% ～15%。因此，可采用該數值模擬方式對不同結構參數下的插排擴展表面進行分析，從而獲得其對應的j、f數值，并分析對其影響最大的結構參數。

圖8 不同流量下實驗測量參數與仿真分析對應結果的比較

3 數值模擬結果分析

進行數值計算后生成了大量數據，為了識別出其中對結果最有影響的因數，采用正交實驗中的極差分析方法來識別這些特征參數。

由直方圖9可知:肋片厚度對阻力因子f影響最大，其次是通道高度，且這種影響在Re=600～1 100時變化極小。圖10是對j因子的分析結果。

由直方圖10可知:肋片間通道寬度對傳熱因子j影響最大，隨著Re數的增大，影響因素中第2位參數由通道高度變為通道中肋片的長度。在較高Re時，肋片長度越長，j越大，換熱能力越強。

不同的結構參數對傳熱特性的影響可通過流場的分析獲得驗證。例如，高度對傳熱特性的影響可從流場分析圖11得出。

圖9 不同Re數下(600，1 100)各因素對f的影響

圖10 不同Re數下(600，1 100)各因素對j的影響

圖11 不同Re數下(600，1 100)不同通道高度流場分布

計算表明結果:流動在肋高較小(通道高度)時在所計算Re數在600～1 100均未出現明顯的分離狀態，而在通道高度較高時出現。肋后氣流生成分離生成渦，這些渦流的生成可明顯提高換熱效率，前面極差分析的結果更進一步印證了該結果。

為了總結規律，利用多元線性回歸方法得到關于 f、j的關系式。

根據量綱分析，f因子應具有如下量綱關系

其中:Re為雷諾數;h為通道高度(或肋高);L為冷板通道長度;其余參數如圖5所示。由于數值實驗均在常物性條件下求得，故不考慮Pr數的影響，等式左右均為量綱1量。將式(1)使用對數展開，即可對結果進行多元線性擬合。擬合式可直接用于計算此類表面換熱系數及流動阻力特性。擬合出關于j，f的關系式為:

4 結束語

本文對一種用于航空電子設備冷卻的肋化通道的傳熱與流動特性進行了數值模擬。通過正交實驗設計計算了不同結構參數的肋化通道的換熱及流動特性;對該計算方法進行了實驗驗證，獲得了此類通道的j、f因子的關聯式;通過極差分析得出在所研究的Re范圍內，肋片厚度對阻力因子f有最大影響;肋間通道寬度對j因子有最大影響，隨著Re數增大，對j因子有次要影響的因素由通道高度H變為肋長度L。

［1］Assouad Y.Forced convection cooling of airborne electronics［Z］.Coolingzone，1998.

［2］Issam Mudawar.Assessment of High-Heat-Flux Thermal Management Schemes［J］.IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES，2001，24(2).

［3］Fluent6.3 help document［Z］.

［4］Kays W M，London A L.Compact heat exchangers［M］.USA:McGraw-Hill，1964.

［5］Shah R K，London A L.Laminar Flow Forced Convection in Ducts［M］.New York:Academic Press，1978.

［6］kays W M.Crawford Convective heat and mass transfer［M］.USA:McGraw-Hill，1980.

［7］余建祖.換熱器原理與設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.