基于Flotherm分析的某插箱熱設計研究

梅 宇

(安徽四創電子股份有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

傳統熱力學計算復雜、耗時長，通過熱仿真技術可以極大地提高效率，縮短產品研發周期，降低成本。本文采用Flotherm對某插箱設備的設計方案進行熱仿真，驗證散熱風扇選型的正確性，為類似設備的熱設計提供借鑒依據。

1 Flotherm軟件介紹

Flotherm軟件是由英國Flomerics公司開發的專門針對電子散熱領域的計算流體動力學(CFD)仿真軟件。其可提供全面的散熱仿真分析能力，如傳導分析、流場分析、瞬態分析、輻射分析等，能夠解決環境級、系統級、印制板級、元器件級的熱分析問題[2]。用戶根據需要去解決實際工程應用問題，能夠預先估計元器件的工作溫度，使熱設計最優化，提高產品的可靠性。其求解器不僅應用了數值計算方法，而且結合了大量的電子散熱開發經驗和實驗數據[3]，使求解迅速準確。另外Flotherm還提供專門應用于電子設備熱分析的參數化模型創建技術，提供電子設備參數化三維建模，能夠迅速、準確地建模，縮短產品開發時間，以及先進動態的可視化后處理技術，為設計人員提供智能自動化設計工具，在后處理模塊中提供溫度梯度、傳熱瓶頸和傳熱捷徑等結果參數，幫助設計人員快速確定散熱缺陷和改進方案。

2 應用實例

2.1 問題描述

某電子設備插箱的工作溫度范圍為-10 ℃至 55 ℃，最高允許溫升為10 ℃。整機發熱功耗為106.5 W，插箱的尺寸為440 mm×480 mm×88 mm(寬×深×高)。機箱材料為鋁LY12，設備共6個槽位，其中槽位5為主控轉接業務板可插拔，槽位6為電源位不可插拔，固定在機箱的底板上，其余槽位的板卡可插拔并能夠互換。總線背板位于插箱中部，將設備分為前后2個部分，后部用于業務板安裝，前部用于存儲、錄像單元、PC主板和信號轉接板的安裝，機箱風道為“左進右出”，如圖1所示。

1-高清編碼業務板；2-高清解碼業務板；3-中控業務板；4-標清業務板；5-電源；6-主控轉接業務板；7-NVR；8-2.5寸硬盤(2T)；9-PC主板；10-信號轉接板；11-總線背板；12-風扇8025；13-風扇8010圖1 某插箱結構模型

插箱內設備的散熱功耗參數如表1所示。

表1 某插箱業務板功耗參數

2.2 散熱風扇選型計算[4]

考慮到設備的整體布局及散熱器件的功耗分布，擬采用總線背板前后分別布置一個散熱風扇進行強制風扇散熱。插箱的最高工作環境溫度為55 ℃，內部設計在65 ℃條件下連續工作10 h，整機功耗為106.5 W，風扇選型計算如下：

Qe=Qv-Qs

(1)

Qs=KAΔT

(2)

式中：Qe為風扇所需的散熱功率；Qv=106.5 W，為設備內熱耗；Qs為設備外殼與外界熱交換功率；K=2.5 W/m2·℃,為導熱系數；A=0.41 m2,為有效插箱表面積。

根據德國工業標準DIN 0660.500部分，計算有效插箱表面積：

Navigation Risk Analysis of Large Vessels in-and-out Shanghai Harbor

A=1.8BH+1.4BT+TH

(3)

式中：B為寬；T為深；H為高；ΔT為10 ℃ 設備溫升。

則：A=1.8×0.44×0.088+1.4×0.44×0.48+0.48×0.088=0.41 m2

綜上計算得：Qe=96.25 W。

計算風扇所需體積流量：

Qe=QρCpΔT

(4)

Q=Qe/ρCpΔT

(5)

式中：Qe=96.25 W，為風扇所需的散熱功率;ρ=1.013 kg/m3，為空氣密度；Cp=1.005×103J/(kg·℃)，為空氣比熱容；ΔT=10 ℃，為設備溫升。

由式(5)可得：Q=20×0.57 m3/min。

插箱被總線背板分為前后兩部分，并且前部熱功耗(65.5 W)較后部(41 W)大；其次，設備應用在多種工況下，散熱復雜，需要采取冗余設計，提高設備可靠性。散熱風扇參數如表2所示。

表2 散熱風扇參數

2.3 溫度場模擬及分析

利用Flotherm進行熱力學仿真分析，前提是獲取相應的物理參數，例如模型外形尺寸、關鍵器件尺寸、熱耗分布以及材料屬性等。其分析過程一般分為5個步驟：模型建立、網格劃分、邊界條件、求解、后處理[5]。根據前述問題描述，對某插箱邊界條件做如下說明：環境溫度為55 ℃，標準大氣壓，氣流狀態為紊流，箱體導熱系數為2.5 W/m2·℃，強制風冷散熱無需擴大求解域，系統求解的迭代次數為345次，溫度監控點1為風扇8010出風口溫度，溫度監控點2為風扇8025出風口溫度，溫度監控點3為進風口溫度，進、出風口溫差即為設備溫差。有限元模型如圖2所示。

圖2 插箱有限元模型

可視化后處理收斂曲線及溫度監控點溫度曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 收斂曲線圖

圖4 監控點溫度曲線

由圖4可知，待設備內部達到溫度平衡后溫度監控點1、2(即出風口)溫度相當，大約為59 ℃，符合問題描述中的要求。

如圖5所示的溫度分布云圖及流跡曲線，插箱在55 ℃環境下，溫度最高的元器件為總線背板的交換模塊84.1 ℃，即所有的器件均在主芯片允許的最高溫度范圍內。

3 對標試驗與驗證

按照GJB367 A-2001(軍用通信設備通用規范)對該插箱進行高溫環境試驗(+55 ℃)，并用溫度傳感器檢測出風口處的溫度，待環境試驗箱內溫度穩定后，插箱設備開機運行，2 h后記錄出風口的溫度。結果顯示設備該項性能完好，出風口溫度為68 ℃，證明該插箱設備熱設計合理。

4 結束語

在產品設計的早期，利用CFD軟件Flotherm可以方便快速地模擬設備內部溫度場及阻力特性。不僅能輔助確定設計方案，而且可以及時發現方案中所存在的問題，便于熱設計工作者對方案進行某些調整；在提升設備品質性能的同時，縮短了整個設備的研發周期，為設備最終進入市場奠定了良好的基礎。

本文從具體的工程實例出發，闡述了強迫風冷散熱風扇的選型理論計算，然后從仿真分析的角度進行仿真，最后通過對標試驗進行驗證，證明方法的可行性及正確性，為今后類似設備的熱設計提供了借鑒依據。