液冷冷板并聯(lián)流道流量被動分配研究

方天宇,謝 飛,蔣爾進(jìn)

(中國電子科技集團公司第二十研究所,陜西 西安 710000)

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展,軍用相控陣?yán)走_(dá)對熱設(shè)計的要求表現(xiàn)出了2個顯著的特征:過高的熱流密度使得風(fēng)冷在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用減少,液冷技術(shù)正得到來越廣泛的應(yīng)用;均溫性的要求使得流道的結(jié)構(gòu)形式逐步由集中式向分布式過渡,由此帶來的并聯(lián)管路的流量分配正成為液冷系統(tǒng)研制的一個重要問題[1-2]。目前,介紹相控陣?yán)走_(dá)液冷技術(shù)的文獻(xiàn)較多,但是對液冷系統(tǒng)中單個冷板內(nèi)部流量分配技術(shù)詳細(xì)論述的文獻(xiàn)較少。本文結(jié)合某相控陣?yán)走_(dá)液冷系統(tǒng)的研制對單個冷板中并聯(lián)流道的流量分配問題進(jìn)行了重點研究。

1 問題描述

本文擬針對單冷板內(nèi)并聯(lián)流道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,使得并聯(lián)流道內(nèi)的流量分布較為均勻。針對圖1所示的原始流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變,使得并聯(lián)流道內(nèi)流量分布較為均衡。針對圖1所示的流道進(jìn)行仿真,得到的流道中流速分布如圖2所示。

圖1 流道原始結(jié)構(gòu)

圖2 原始流道結(jié)構(gòu)的流速分布

可以看出:并聯(lián)流道中的流量分布極其不均勻,故此需要對流道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,使得并聯(lián)流道內(nèi)的流量分布較為均勻。

2 流道最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 流道可變結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了改變并聯(lián)流道內(nèi)的流量分配,在分路的來流方向處增加三角形的導(dǎo)流塊,將三角形迎向來流一邊的長度記為Hi(i=1～15),見圖3。將15個Hi組成的向量稱之為流道變化向量,記為H。增加導(dǎo)流塊后的流道見圖4。針對每個分路導(dǎo)流塊的Hi進(jìn)行改變來調(diào)節(jié)對應(yīng)分路內(nèi)的流量[3-5]。

圖3 Hi示意圖

圖4 增加導(dǎo)流塊后的流道

圖5 流道結(jié)構(gòu)尋優(yōu)算法流程圖

對于不同的流道變化向量H都有不同的流量分布,下面論述如何尋找流量分布最優(yōu)對應(yīng)的流道變化向量H。

2.2 尋優(yōu)算法

本文研究的問題可以歸納為下列組合優(yōu)化問題:

find:{h1,h2,…,hM}∈{hi,|i=1,2,…,15}

(1) 給定流道變化向量H初始向量,進(jìn)行流道仿真,獲取各個分路的流量Qi,將15路分路流量Qi組成的向量稱為流量向量,記為Q;

(2) 將入口流量的1/15設(shè)為目標(biāo)數(shù)值,記為M,將M、Q代入ΔH=F(Q,M)中,計算得到流道修正向量ΔH;

(3) 將流道修正向量ΔH代入H=H+ΔH中,求得流道變化向量H;

(4) 將Hi代入仿真中進(jìn)行計算,獲取各個分路的流量Q;

(5) 計算Q的均方差進(jìn)行判斷,是否繼續(xù)循環(huán),是的話重復(fù)(2)～(4),否的話進(jìn)行(6);

(6) 將結(jié)果輸出。

各個變量定義:

流道變化向量:H={H1,H2…H15}

流量分路向量:Q={Q1,Q2…Q16}

流道結(jié)構(gòu)修正向量:ΔH={ΔH1,ΔH2… ΔH15}

流道修正函數(shù):ΔH=F(Q,M)

Matlab主要控制函數(shù):

While((N<100) &&(var(X)>0.02)) %停止條件model.component('comp1').geom('geom1').run;%更新模型

model.study("std1").run();%求解

model.result().evaluationGroup("eg1").run();%求解計算組,并輸出X至TXT

X=(dlmread('LiuLiang.txt',' ',5,0))';%偏移5行0列讀取數(shù)據(jù)

X(all(X== 0,2),:) =[];%刪除向量中的零元素。

X=-X;

M=mean(X);%取均值。

fori=1:16

DASDA=(abs(X(i)-M));

DASDA2=(0.05×M);

DASDA>DASDA2;

if(DASDA>DASDA2)%超過0.05×M進(jìn)行結(jié)構(gòu)變化,否則按照上次結(jié)構(gòu)繼續(xù)。

Y(i)=F(X(i),M);%計算Y

end

if(Y(i)>=20)

Y(i)=19.9; %超過20的話回歸。

end

end

DX(N,:)=X' %保存X結(jié)果

DY(N,:)=Y' %保存Y結(jié)果

model.param.set('H1',Y(1)); %將Y賦予模型

model.param.set('H2',Y(2));

model.param.set('H3',Y(3));

model.param.set('H4',Y(4));

model.param.set('H5',Y(5));

model.param.set('H6',Y(6));

model.param.set('H7',Y(7));

model.param.set('H8',Y(8));

model.param.set('H9',Y(9));

model.param.set('H10',Y(10));

model.param.set('H11',Y(11));

model.param.set('H12',Y(12));

model.param.set('H13',Y(13));

model.param.set('H14',Y(14));

model.param.set('H15',Y(15));

N=N+1;

end

3 流道仿真

3.1 流道仿真邊界條件

(1) 環(huán)境溫度35 ℃;

(2) 入口處冷卻液溫度為35 ℃;

(3) 冷卻液類型為去離子水。

3.2 流道仿真模型

流道仿真分析計算采用分析軟件COMSOL進(jìn)行,根據(jù)軟件建模的特點和要求,在保證仿真結(jié)果不失真的前提下,對仿真模型進(jìn)行了部分簡化,忽略了所有螺釘孔以及與冷板流動關(guān)系不大的局部特征。將流道在仿真模型中分為兩部分,為獲取流量分路向量Q做準(zhǔn)備。給定流道變化向量初始值H=5。流道仿真分析模型如圖6所示。

圖6 流道仿真分析模型

運行編制好的程序后,得到了優(yōu)化后的流道變化向量:H=[6.019 5,5.958 8,6.160 8,5.269 4,5.885 6,6.534 7,7.802 9,7.874 5,9.667 6,11.145 8,13.022 6,13.847 3,15.566 7,16.983 8,17.976 5,13.134 3]。

根據(jù)H進(jìn)行建模得到圖7所示冷板,對其進(jìn)行流量仿真,結(jié)果如圖8所示。

圖7 優(yōu)化后的流道仿真分析模型

圖8 優(yōu)化后的流道仿真分析結(jié)果

根據(jù)對流道截面上的速度在z方向的分量進(jìn)行積分得到流量分路向量:Q=[ 0.285 3,0.274 5,0.284 8,0.292 5,0.272 6,0.285 0,0.282 3,0.279 9,0.272 3,0.277 9,0.285 5,0.294 0,0.277 6,0.272 3,0.285 5,0.284 6] ·10-5m3。

可以看出Q的各個分量均在M的±5%以內(nèi),滿足10%精度的要求,認(rèn)為本次優(yōu)化的結(jié)果可用。

4 冷板熱仿真

熱仿真仿真邊界條件如下:

(1) 環(huán)境溫度35 ℃;

(2) 入口處冷卻液溫度為35 ℃;

(3) 冷卻液類型為去離子水;

(4) 32個15 W熱源共480 W。

圖9、圖10為流道優(yōu)化前后的仿真結(jié)果。

對比觀察圖9與圖10,可以明顯地發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)對多熱源的溫度一致性有了明顯提升。

5 結(jié)束語

本文通過對液冷冷板中并聯(lián)流道建立參數(shù)化優(yōu)化模型進(jìn)行分析計算,得到了一種可以優(yōu)化并聯(lián)流道流量分配的分析方法,對類似的單冷板上分布有多個大功率器件并對溫度一致性要求較高的情景有一定的參考意義。