基于數值仿真的雷達高頻箱熱流特性研究

宋榮貴,顧毅君,肖　力,楊志昆

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153)

基于數值仿真的雷達高頻箱熱流特性研究

宋榮貴,顧毅君,肖力,楊志昆

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153)

摘要：針對雷達高集成高頻箱有效散熱設計需求,應用Fluent軟件對雷達高頻箱的熱流特性進行了數值仿真研究。對高頻箱內空氣的流動情況及不同邊界條件下典型高頻箱內溫度和發熱單元表面對流換熱系數分布情況進行了比較分析,得出的研究結論可為高頻箱的熱設計提供參考。

關鍵詞:高頻箱；Fluent；流場；熱流特性

0引言

隨著雷達功能和技術持續快速發展,雷達高頻箱電路與組件集成規模及其功耗密度不斷提高,熱流密度隨之不斷增大。雷達高頻箱一般需集成低噪聲場放、頻綜、混頻、匹配放大濾波和控制、電源等系列模塊,總功耗可達數百至數千瓦,并需在有限體積和規定的工作范圍內高可靠地正常工作。因此,必須對高頻箱內的熱流特性進行研究,為系統的設計提供依據。

基于數值仿真分析軟件Fluent,本文分析了高頻箱內的氣體流動情況和不同環境條件對高頻箱通風換熱性能的影響。針對典型雷達高頻箱工程高可靠散熱設計需求,研究了功率855 W、穩定工作溫度范圍覆蓋-40℃～+60℃的熱流特性數值分析,給出了工程設計結論,可以為其他類型高頻箱及機柜的熱設計提供參考。

1數理模型分析

1.1物理模型

本問題的計算區域為高頻箱內空氣的流動區域和發熱單元的固體區域。設典型高頻箱內發熱單元從上至下由電源、混頻、場放等共10個模塊和VPX機箱內3個發熱模塊組成,如圖1所示。高頻箱右側下方進風,頂部出風。高頻箱內屏蔽盒單元與VPX機箱之間為一組軸流風機。

圖1　高頻箱結構模型

設定分析參數如下:高頻箱模型尺寸為1462 mm×638 mm×424 mm,內部總發熱量Q約為855 W,進氣溫度25℃,出風口處溫度升高不超過10℃,即出風口溫度為35℃。 則定性溫度為

30℃時空氣的物理參數分別為ρ=1.165 kg/m3，Cp=1005 J/kg·℃，κ=2.67×10-2W/m·℃。

若高頻箱與外界無熱量交換,則高頻箱內發熱量所需的風量Qf為

進風口平均速度為

式中,△T為進出風口溫差,A為進風口面積。

1.2數學模型

計算高頻箱內空氣流動運用三維不可壓N-S方程求解。湍流模型為已被成功應用的k-ε雙方程模型[1-2],其控制方程形式如下[3-6]:

連續性方程

動量方程

k方程

ε方程

湍流粘度

其中,G為因平均速度梯度引起的湍動能k的產生項:

模型常量

Cε1=1.44,Cε2=1.92,cμ=0.09,

σk=1.0,σε=1.3

能量方程

式中,ui為速度分量,ρ為密度,Sui為動量方程源項,μeff為有效動力粘度,P為壓力,Cp為定壓比熱容,t為溫度,λeff為有效的導熱系數,SH為能量方程源項。

2仿真研究

仿真研究技術路徑為:首先在UGNX軟件中建立研究對象的三維幾何模型,再應用Fluent軟件的前處理軟件GAMBIT分割幾何體、劃分網格,最后在Fluent軟件中選擇合適的流動模型和設置邊界條件進行計算。

2.1劃分網格

由于該模型比較復雜,采用適應性較強的非結構化四面體網格進行劃分。因模型尺寸較大,固體區域和空氣流體區域采用不同的網格大小來減少網格數量,降低計算時間。全部區域共劃分網格數約為260萬個。

2.2邊界條件

對于該高頻箱內的通風換熱性能分析,邊界條件主要有氣體入口、氣體出口、熱源、風機旋轉坐標系、熱邊界等5種。

2.2.1氣體入口

計算氣體入口采用速度入口條件,給定氣體速度、溫度及相應的湍流條件。

2.2.2氣體出口

采用自由出口條件。

2.2.3熱源

發熱單元的固體區域加入熱源模擬電子部件的生成熱,設置每個發熱單元的單位體積發熱率。

2.2.4風機旋轉坐標系

設置每個風機旋轉區域的旋轉軸和旋轉速度,定義風機與氣體區域接觸壁面的相對速度為零。

2.2.5熱邊界

(1) 氣體與高頻箱接觸的壁面:第1種情況:熱流密度q=0,即絕熱；第2種情況:考慮壁面導熱、壁面與環境的對流換熱及輻射。設置殼導熱邊界,高頻箱材料的熱參數、壁面厚度、與環境的對流換熱系數和環境溫度、壁面發射率。

(2) 氣體與發熱單元的固體區域表面為耦合傳熱邊界條件。耦合傳熱邊界由熱量傳遞過程中動態瞬時決定,保證能量方程在區域界面處的溫度連續和溫度梯度連續,不能用常規的三類傳熱邊界條件設置[7]。本數值分析過程在GAMBIT中分割幾何體時采用splitvolume工具得到交界面處為“wall”和“wallshadow”的壁面形式,分別屬于固體和流體計算域,二者為同一面。在Fluent中生成Coupled邊界條件自動計算得到流體-固體表面對流換熱系數及溫度分布。

3計算結果與分析

3.1不同氣流通路對高頻箱內溫度分布的影響

空氣從進風口進入高頻箱內,氣流在旋轉的軸流風機驅動下繞過發熱單元表面向上流動,穿過高頻箱與發熱單元及其之間的間隙向上,流向高頻箱頂部的出風口,如圖2所示。

圖2中,出風口位于高頻箱頂部中間位置,由于高頻箱內部功率模塊布置前后并不完全對稱,氣流在高頻箱內部形成了紊流,高溫氣體流出不暢,散熱效果有待改進。綜合分析內部模塊和功率器件的布置,進行優化設計后,將出風口位置調整至頂部右側。分析結果如圖3所示。氣流在高頻箱內優先尋找阻力小的路徑流動,高溫氣體流動順暢,可以更加高效地將熱量散至箱外。在高頻箱的設計過程中,需要合理優化內部器件、模塊以及進出風口布局,這樣可以提高散熱效率。

圖2　高頻箱內氣流流動情況(優化前)

圖3　高頻箱內氣流流動情況(優化后)

3.2不同熱邊界條件對高頻箱內溫度分布的影響

假設進風口溫度為25℃,在壁面絕熱條件下,出風口平均溫度為34.9℃,相對進風口溫升為9.9℃,與理論計算的溫升為10℃基本相一致。

絕熱為一種理想的狀態。在實際情況中,即使高頻箱內壁粘貼隔熱材料,也不能完全實現絕熱。所以,本模擬中考慮壁面厚度、壁面與環境對流換熱及輻射的條件下與絕熱情況進行比較。設置環境溫度為40℃(313K),高頻箱壁面與外界對流換熱系數為1.5W/m2·k,壁面發射率為0.8,高頻箱表面溫度分布如圖4所示。絕熱情況下高頻箱內壁表面平均溫度為302.5K,考慮熱交換情況下其平均溫度為306.6K,溫度上升了4.1K(4.1℃)。壁面熱量傳遞對高頻箱內溫度影響較明顯。在高頻箱熱設計時需充分考慮高頻箱使用環境的影響。

(a) 絕熱狀態　 (b) 與環境熱交換狀態

3.3不同進風量對高頻箱內部溫度分布的影響

對高頻箱內部發熱器件進行通風換熱,進風量是改善發熱器件對流換熱的一個重要因素。進風量太小則發熱器件獲得的冷卻效果不好,進風量過大則會造成很大能量浪費且散熱效果未必很好。不同進風量對出風口平均溫度的影響如圖5所示。隨著進風量變大,出風口平均溫度變小,高頻箱內溫升變小。通過模擬分析,在設計允許的溫升范圍內選擇合適的流量。假設設計溫升為不超過10℃,則合適的進風速度為6.4m/s,進風量為331m3/h。

圖5　不同進風速度對機高頻箱出口溫度的影響

不同進風速度對高頻箱內發熱單元表面溫度的影響如圖6所示。發熱單元表面溫度隨風速的提高而降低,發熱單元所獲得的冷卻效果更好。但是,對靠近進風口且熱流密度最高的區域(圖中紅色區域),速度在5.1～7.7m/s時表面溫度隨速度增加而降低,而當進風速度達到8.6m/s時由于風速過快熱交換來不及充分進行,散熱效果沒有得到明顯提升。

(a) 進風速度v=5.1 m/s (b) 進風速度v=7.7 m/s (c) 進風速度v=8.6 m/s

由對流換熱公式Q=h·A·(tw-tf)可知,發熱單元表面溫度tw不僅與氣體溫度tf、表面積A相關,還與對流換熱系數h密切相關。發熱單元表面的平均對流換熱系數值h由模擬計算獲得,如圖7所示。表面對流換熱系數變化趨勢與其表面溫度相反。

圖7　不同進風速度與平均對流換熱系數及平均溫度的關系

表面對流換熱系數對散熱效果有重要影響。從圖8中可以看出,速度為8.6m/s時速度過高,表面對流換熱系數較小。氣體快速由阻力最小途徑流出,流經該局部是散熱不夠充分,散熱效果不佳。若在高頻箱內部合適位置安裝導風板、開設通風孔則有利于將更多的氣流導向發熱量大的器件,避免高頻箱內局部位置溫度過高。

4結束語

本文基于典型雷達高頻箱高可靠散熱設計需求,利用數值仿真分析研究了典型高頻箱熱流特性及不同邊界條件對箱體內部熱流場的影響。由數值分析結果可知,高頻箱壁面熱邊界設置對高頻箱內溫度影響明顯。高頻箱熱設計時要考慮其使用環境,并在高頻箱內部粘貼隔熱棉或表面涂敷隔熱材料。高頻箱進風量越大,帶走的熱量越多。但是,進風量越多,并非高頻箱內所有發熱單元都會獲得更好的冷卻效果,氣流在高頻箱內流動優先尋找的是阻力小的路徑。因此,高頻箱通風換熱設計時,根據器件的散熱量和安裝位置,設置導風板、通風孔等讓更多氣流穿過單位體積發熱率高的器件,避免高頻箱內局部溫度過高而損壞元器件,從而可提高設備的使用壽命和可靠性。

(a) v=5.1 m/s(正反面) (b) v=8.6 m/s(正反面)

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Analysis of characteristics of heat flow in radar HF box based on numerical simulation

SONG Rong-gui, GU Yi-jun, XIAO Li, YANG Zhi-kun

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:In view of the requirements of the effective heat dissipation in the highly integrated HF box, the characteristics of the heat flow in the HF box are simulated numerically with the Fluent software. The air flow in the HF box and the convective heat transfer coefficient (CHTC) on the surface of the heating units and the temperature distribution in the typical HF box in different boundary conditions are compared and analyzed. The research conclusions can provide references for the thermal design of the HF box.

Keywords:HF box; Fluent; flow field; characteristics of heat flow

收稿日期:2016-03-04；修回日期:2016-03-20

作者簡介:宋榮貴(1984-),工程師,碩士,研究方向:雷達系統結構設計；顧毅君(1985-),女,工程師,碩士,研究方向:雷達總體技術；肖力(1983-),男,工程師,研究方向:雷達總體技術；楊志昆(1987-),工程師,碩士,研究方向:制冷及低溫工程。

中圖分類號:TN957.8

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0056-05