某機載設備電源柜散熱優化設計及仿真分析

譚宏海

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

溫升是影響電源模塊可靠性的關鍵因素，隨著溫度的提高，器件的失效率呈現出指數增長的趨勢，嚴重影響設備的功率。某機載設備電源柜工作環境溫度高，電源柜內部由多個開關電源組成并且連續工作時間長。因此，需要對該機載設備的電源柜進行散熱設計，并對電源柜內部的散熱情況進行仿真分析。筆者采用Fluent軟件先對單個電源仿真確定所需參數，然后設計電源柜的模型，用確定的參數進行電源柜的仿真分析。

1 單個工業微波電源模型建立與仿真分析

1.1 單電源物理模型

按照等比例建模，對單個開關電源結構簡化為芯片、變壓器、散熱片、基板、內部流體。

1.2 網格劃分

對計算域物理模型進行離散化處理。筆者采用ANSYSWorkbench Fluid Flow模塊中的Mesh進行網格劃分，其網格數量為746 078，并對網格無關性進行了驗證[1]。

1.3 邊界條件的設置

本研究忽略輻射換熱，僅對強迫風冷散熱進行仿真分析。開啟能量方程，湍流模型采用Realizable k-ε模型，標準壁面函數，離散項采用二階迎風格式的壓力速度耦合（Coupled）的算法進行數值計算[2-3]。芯片體積功率密度為27 777 000 W/m3，變壓器體積功率密度為789 960 W/m3。將電源內部散熱風扇等效成一個面，定義為進氣扇邊界條件(Inlet-fan)，設置壓力跳躍（Pressure Jump）為65 Pa，進氣風扇邊界溫度設置為300 K，出口為壓力出口(pressureoutlet)[4-5]。

1.4 仿真結果及分析

仿真結果中開關電源進口平均風速及熱源的溫升大小與理論計算相差不大，單個開關電源的仿真結果為電源柜仿真分析提供參照和依據。

2 電源柜模型仿真分析

2.1 原電源柜物理模型

原電源柜模型選取18個電源作為研究對象，采用1∶1建模。原電源柜三維模型如圖1所示。

圖1 原電源柜物理模型

2.2 前處理及邊界條件的設定

固體熱源體積功率密度設定與單個開關電源仿真設置一致，對18個開關電源進口邊界設置與單個開關電源仿真設置相同。

2.3 仿真結果分析

仿真結果的溫度云圖如圖2所示，各開關電源內芯片和變壓器的溫度曲線變化如圖3所示。

圖2 原電源柜內部溫度云圖

圖3 原電源柜發熱元件溫度曲線圖

觀察電源柜兩側散熱風道流場的壓力以及速度矢量圖，如圖4和圖5所示，可以看出整個散熱風道內流場的壓力和速度變化趨勢，自上而下散熱風道內部壓力逐漸增大，最底部的電源出口存在86 Pa左右的壓力。由于散熱風道內部壓力的影響，電源出風不暢通，導致電源內部散熱風扇無法產生一定的風速，造成電源出口的位置壓力高，電源進口風速低。

圖4 壓力矢量圖

圖5 速度矢量圖

截取電源柜內側某一平面的速度云圖以及矢量圖，如圖6和圖7可以看出不同位置電源柜的速度流動方向和大小，通過觀察底部左側的軸流風機氣體流動方向，此處的軸流風機起不到對電源降溫的作用，底部右側的軸流風機對底部左側的電源有一定的作用，增加了電源的進口風速，但是改變了氣體的流動方向，影響電源內部變壓器的散熱[6]。因此，需改進電源柜結構，降低風道阻力，減少壓力損失，提高散熱能力，減小溫差。

圖6 某平面速度云圖

圖7 某平面速度矢量圖

提取仿真結果的數據，不同位置的電源平均進口風速如表1所示，沿高度方向電源進口風速變化非常明顯，從頂部第一排電源進口風速開始驟降。

表1 不同位置的電源平均進口風速

不同位置的電源出口壓力如表2所示，可以看出不同位置的電源出口對應的壓力值，出口壓力大小直接影響電源的進口風速。

表2 不同位置的電源出口壓力

從仿真結果可以發現該結構電源柜散熱較差，不能滿足散熱要求，同時存在個發熱元件溫差大的缺點。所以需要對其進行改進，在滿足散熱要求的前提下減少溫差引起的問題。

3 電源柜結構的優化設計與仿真分析

3.1 優化模型建立

原結構下每個開關電源出口與引風管道垂直，壓力損失大，對散熱影響最為嚴重。優化后電源柜結構如圖8所示，設計八面體引風管道，只采用原有的兩個引風風扇，將24個電源分三層放于八面體結構上。

圖8 優化后物理模型

3.2 仿真結果分析

網格劃分、前處理與邊界條件的設置方法均與原模型相同。仿真結果的溫度云圖如圖9所示。芯片和變壓器的溫度曲線如圖10所示。從圖10中可以看出芯片最高溫度為344.0 K，溫差為5℃。變壓器最高溫度363.8 K，溫差高達8℃。變壓器和芯片的整體溫度都下降很多，并且溫差不大。

圖9 優化后內部溫度云圖

圖10 優化后發熱元件溫度曲線圖

3.3 電源柜優化前后散熱效果對比分析

優化的電源柜結構只采用了原結構中兩個引風風扇，而且開關電源數量增加了6個。但整體的散熱效果更好。優化前后芯片溫度曲線如圖11所示，芯片最高溫度由原來的380 K降低到現在的344 K，并且芯片間溫差減小，優化后的散熱效果及均勻性均顯著提高。

圖11 優化前后芯片溫度曲線對比圖

4 結論

1）合理地設計引風管道可以降低管道內的壓力損失，實現更好的風冷散熱效果。

2）單個開關電源入口與大氣相通，既省去兩個風扇降低了成本，又提高了開關電源的入口風速，有助于散熱。