電子設備艙設備架通風設計與仿真計算

劉牧　袁建新

【摘 要】本文介紹了飛機電子設備艙（簡稱E-E艙）設備架通風設計要求、設備架內設備布置和通風設計方案，采用CFD方法對設備架及周圍區域的溫度場進行仿真，分析驗證了該設計布局下通風系統的性能。

【關鍵詞】E-E艙設備架；強迫風冷；自然冷卻；CFD

Avionics Compartment Rack Ventilation Design and Simulation

LIU Mu YUAN Jian-xin

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】This article introduces the aircraft avionics compartment（Abbreviation： E-E bay） rack ventilation design requirements，the equipments arrangement in the rack and the ventilation scheme.CFD is applied in this article to calculate and simulate the temperature field surrounding the E-E bay rack，and the ventilation performance of the design is verified.

【Key words】E-E bay rack；Forced ventilation cooling；Natural cooling；CFD

0 引言

隨著民用飛機技術發展，機載電子設備的數量和種類不斷增加，熱功耗也越來越高，優化E-E艙內部設備布局，規范電子設備冷卻設計接口標準和要求，提高電子設備冷卻系統的效率越來越成為民用飛機環控系統設計的重要內容。

一般民用飛機機載電子設備集中安裝在E-E艙的電子設備架上，設備架與通風系統相連，為電子設備提供統一的通風冷卻接口，同時設備架周圍的環境溫度也需滿足相應的要求，以保障電子設備的可靠性。

本文從民用飛機電子設備通風冷卻系統設計角度出發，介紹了E-E艙通風冷卻系統設計要求與工作原理、E-E艙設備架通風設計方案、和E-E 艙通風冷卻系統安全性要求，并選取艙設備架典型區域進行仿真計算，綜合分析驗證了E-E艙設備架強迫風冷與自然冷卻設備混裝的設計是否滿足系統性能要求。

1 E-E艙設備架通風系統設計要求

如圖1所示為E-E艙設備架通風系統示意，對于設備架內存在強迫風冷設備和自然冷卻設備混裝的區域，需要向強迫通風冷卻的電子設備內部提供冷卻空氣，同時將該層所有設備散發的熱量通過頂部排氣孔和風道排出機外。圖1所示為E-E 艙強迫風冷設備和自然冷卻設備混裝設備架通風設計示意。

電子設備通風冷卻系統正常工作時，應確保飛機電子電氣設備艙的環境溫度在RTCA /DO-160[1]第中規定的A2類環境溫度范圍內；對于安裝在E-E艙內需要電子設備通風冷卻系統提供強迫通風冷卻的電子設備，應符合ARINC600[2]標準要求。

根據上述要求，E-E艙通風系統設計須滿足ARINC600和RTCA/DO-160中規定的強迫通風冷卻和E-E艙環境溫度兩方面的要求，具體見表1和表2。

該設備架頂層采用排風管道進行通風，設備架的中間層和底層都具有通風功能。對于設備架內存在強迫風冷設備和自然冷卻設備混裝的區域，需要向強迫通風冷卻的電子設備內部提供冷卻空氣，同時將該層所有設備散發的熱量通過頂部排氣孔和風道排出機外。

對于強迫風冷設備，通過調節設備托架上孔板（圖3所示）的開孔數量控制進入每個設備的冷卻空氣流量，以滿足ARINC600要求。

通過設備架頂部排氣孔（圖4所示）將設備散發的熱量排至設備架熱風腔內，再通過E-E艙通風系統的排風管路排出機外，以控制E-E艙環境溫度維持在ARINC600和DO-160規定的范圍內。

3 E-E艙設備架仿真計算

假設E-E艙設備架設備布置，分別選取具兩層具有強迫風冷設備和自然冷卻設備混裝的區域作為對象，采用icepak軟件對區域的溫度場和流場進行仿真計算。

3.1 計算假設與邊界條件

根據ARINC600標準和DO-160中對電子設備艙環境溫度的要求，為了保守起見假設計算域外部自由流動環境溫度為55℃。

根據ARINC600中規定的電子設備冷卻系統設計點性能參數，假設強迫風冷設備進口溫度為ARINC600規定的設計點40℃，冷卻空氣流量為220kg/hr kW，設備頂部出風口排氣溫度為56.4℃。根據ARINC600設備表面溫度不超過65℃，取極限值65℃。設備表面為對流換熱和輻射邊界條件，不考慮設備與托架之間的導熱。

對于自然散熱冷卻設備，假設熱載荷均勻分布，設備表面為對流換熱和輻射邊界條件。設備內部不參與計算，不考慮設備與設備架之前的導熱。

計算區域兩側為絕熱邊界條件，不考慮對流換熱和導熱，計算區域前后表面為自由流動開口，頂部為絕熱表面，頂部開孔模擬設備架頂部排氣孔，排氣孔直徑假設為D。

計算考慮設備布置，電子設備熱載荷，強迫風冷設備出口尺寸，強迫風冷設備出口流速，設備頂部排氣孔個數，排氣孔流速等參數和輸入條件。

3.2 仿真計算模型

采用icepak軟件，非結構化網格，三維穩態仿真計算，設備及隔板采用Hollow Block處理，設備出口和設備架進出口為opening。

E-E艙設備架1計算收斂后得到區域的溫度場和流場，。由計算結果可見，計算區域環境溫度（距離設備發熱表面75mm處）低于ARINC600規定的65℃，最高溫度為自然冷卻設備LGCU壁面處71.5℃。

E-E艙設備架2計算收斂后得到區域的溫度場和流場。計算區域環境溫度（距離設備發熱表面75mm處）低于ARINC600規定的65℃。最高溫度為圖中自然冷卻設備壁面處84℃，考慮到實際情況設備內部通過設備表面開孔與環境之間存在對流換熱以及設備外殼與設備架之間的導熱，通過設備表面的發熱量小于計算假設值，熱備表面溫度應低于此值。

4 結論

本文介紹了飛機電子設備艙設備架通風設計要求，以及設備架內部通風設計、設備布置等特點。通過選取設備架的典型區域進行CFD仿真計算，分析驗證了設備架內部流量分配和設備周圍環境溫度的性能要求，可保證E-E艙電子設備工作的可靠性。

【參考文獻】

[1]AIR TRANSPORT AVIONICS EQUIPMENT INTERFACES ARINC SPECIFICATION 600-19[S].2011，3（6）：32-37.

[2]RTCA DO-160G Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment[S].2010，4.3：4-1- 4-9.

[責任編輯：田吉捷]