基于数值仿真的雷达高频箱热流特性研究

宋荣贵,顾毅君,肖　力,杨志昆

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153)

基于数值仿真的雷达高频箱热流特性研究

宋荣贵,顾毅君,肖力,杨志昆

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153)

摘要：针对雷达高集成高频箱有效散热设计需求,应用Fluent软件对雷达高频箱的热流特性进行了数值仿真研究。对高频箱内空气的流动情况及不同边界条件下典型高频箱内温度和发热单元表面对流换热系数分布情况进行了比较分析,得出的研究结论可为高频箱的热设计提供参考。

关键词:高频箱；Fluent；流场；热流特性

0引言

随着雷达功能和技术持续快速发展,雷达高频箱电路与组件集成规模及其功耗密度不断提高,热流密度随之不断增大。雷达高频箱一般需集成低噪声场放、频综、混频、匹配放大滤波和控制、电源等系列模块,总功耗可达数百至数千瓦,并需在有限体积和规定的工作范围内高可靠地正常工作。因此,必须对高频箱内的热流特性进行研究,为系统的设计提供依据。

基于数值仿真分析软件Fluent,本文分析了高频箱内的气体流动情况和不同环境条件对高频箱通风换热性能的影响。针对典型雷达高频箱工程高可靠散热设计需求,研究了功率855 W、稳定工作温度范围覆盖-40℃～+60℃的热流特性数值分析,给出了工程设计结论,可以为其他类型高频箱及机柜的热设计提供参考。

1数理模型分析

1.1物理模型

本问题的计算区域为高频箱内空气的流动区域和发热单元的固体区域。设典型高频箱内发热单元从上至下由电源、混频、场放等共10个模块和VPX机箱内3个发热模块组成,如图1所示。高频箱右侧下方进风,顶部出风。高频箱内屏蔽盒单元与VPX机箱之间为一组轴流风机。

图1　高频箱结构模型

设定分析参数如下:高频箱模型尺寸为1462 mm×638 mm×424 mm,内部总发热量Q约为855 W,进气温度25℃,出风口处温度升高不超过10℃,即出风口温度为35℃。 则定性温度为

30℃时空气的物理参数分别为ρ=1.165 kg/m3，Cp=1005 J/kg·℃，κ=2.67×10-2W/m·℃。

若高频箱与外界无热量交换,则高频箱内发热量所需的风量Qf为

进风口平均速度为

式中,△T为进出风口温差,A为进风口面积。

1.2数学模型

计算高频箱内空气流动运用三维不可压N-S方程求解。湍流模型为已被成功应用的k-ε双方程模型[1-2],其控制方程形式如下[3-6]:

连续性方程

动量方程

k方程

ε方程

湍流粘度

其中,G为因平均速度梯度引起的湍动能k的产生项:

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为速度分量,ρ为密度,Sui为动量方程源项,μeff为有效动力粘度,P为压力,Cp为定压比热容,t为温度,λeff为有效的导热系数,SH为能量方程源项。

2仿真研究

仿真研究技术路径为:首先在UGNX软件中建立研究对象的三维几何模型,再应用Fluent软件的前处理软件GAMBIT分割几何体、划分网格,最后在Fluent软件中选择合适的流动模型和设置边界条件进行计算。

2.1划分网格

由于该模型比较复杂,采用适应性较强的非结构化四面体网格进行划分。因模型尺寸较大,固体区域和空气流体区域采用不同的网格大小来减少网格数量,降低计算时间。全部区域共划分网格数约为260万个。

2.2边界条件

对于该高频箱内的通风换热性能分析,边界条件主要有气体入口、气体出口、热源、风机旋转坐标系、热边界等5种。

2.2.1气体入口

计算气体入口采用速度入口条件,给定气体速度、温度及相应的湍流条件。

2.2.2气体出口

采用自由出口条件。

2.2.3热源

发热单元的固体区域加入热源模拟电子部件的生成热,设置每个发热单元的单位体积发热率。

2.2.4风机旋转坐标系

设置每个风机旋转区域的旋转轴和旋转速度,定义风机与气体区域接触壁面的相对速度为零。

2.2.5热边界

(1) 气体与高频箱接触的壁面:第1种情况:热流密度q=0,即绝热；第2种情况:考虑壁面导热、壁面与环境的对流换热及辐射。设置壳导热边界,高频箱材料的热参数、壁面厚度、与环境的对流换热系数和环境温度、壁面发射率。

(2) 气体与发热单元的固体区域表面为耦合传热边界条件。耦合传热边界由热量传递过程中动态瞬时决定,保证能量方程在区域界面处的温度连续和温度梯度连续,不能用常规的三类传热边界条件设置[7]。本数值分析过程在GAMBIT中分割几何体时采用splitvolume工具得到交界面处为“wall”和“wallshadow”的壁面形式,分别属于固体和流体计算域,二者为同一面。在Fluent中生成Coupled边界条件自动计算得到流体-固体表面对流换热系数及温度分布。

3计算结果与分析

3.1不同气流通路对高频箱内温度分布的影响

空气从进风口进入高频箱内,气流在旋转的轴流风机驱动下绕过发热单元表面向上流动,穿过高频箱与发热单元及其之间的间隙向上,流向高频箱顶部的出风口,如图2所示。

图2中,出风口位于高频箱顶部中间位置,由于高频箱内部功率模块布置前后并不完全对称,气流在高频箱内部形成了紊流,高温气体流出不畅,散热效果有待改进。综合分析内部模块和功率器件的布置,进行优化设计后,将出风口位置调整至顶部右侧。分析结果如图3所示。气流在高频箱内优先寻找阻力小的路径流动,高温气体流动顺畅,可以更加高效地将热量散至箱外。在高频箱的设计过程中,需要合理优化内部器件、模块以及进出风口布局,这样可以提高散热效率。

图2　高频箱内气流流动情况(优化前)

图3　高频箱内气流流动情况(优化后)

3.2不同热边界条件对高频箱内温度分布的影响

假设进风口温度为25℃,在壁面绝热条件下,出风口平均温度为34.9℃,相对进风口温升为9.9℃,与理论计算的温升为10℃基本相一致。

绝热为一种理想的状态。在实际情况中,即使高频箱内壁粘贴隔热材料,也不能完全实现绝热。所以,本模拟中考虑壁面厚度、壁面与环境对流换热及辐射的条件下与绝热情况进行比较。设置环境温度为40℃(313K),高频箱壁面与外界对流换热系数为1.5W/m2·k,壁面发射率为0.8,高频箱表面温度分布如图4所示。绝热情况下高频箱内壁表面平均温度为302.5K,考虑热交换情况下其平均温度为306.6K,温度上升了4.1K(4.1℃)。壁面热量传递对高频箱内温度影响较明显。在高频箱热设计时需充分考虑高频箱使用环境的影响。

(a) 绝热状态　 (b) 与环境热交换状态

3.3不同进风量对高频箱内部温度分布的影响

对高频箱内部发热器件进行通风换热,进风量是改善发热器件对流换热的一个重要因素。进风量太小则发热器件获得的冷却效果不好,进风量过大则会造成很大能量浪费且散热效果未必很好。不同进风量对出风口平均温度的影响如图5所示。随着进风量变大,出风口平均温度变小,高频箱内温升变小。通过模拟分析,在设计允许的温升范围内选择合适的流量。假设设计温升为不超过10℃,则合适的进风速度为6.4m/s,进风量为331m3/h。

图5　不同进风速度对机高频箱出口温度的影响

不同进风速度对高频箱内发热单元表面温度的影响如图6所示。发热单元表面温度随风速的提高而降低,发热单元所获得的冷却效果更好。但是,对靠近进风口且热流密度最高的区域(图中红色区域),速度在5.1～7.7m/s时表面温度随速度增加而降低,而当进风速度达到8.6m/s时由于风速过快热交换来不及充分进行,散热效果没有得到明显提升。

(a) 进风速度v=5.1 m/s (b) 进风速度v=7.7 m/s (c) 进风速度v=8.6 m/s

由对流换热公式Q=h·A·(tw-tf)可知,发热单元表面温度tw不仅与气体温度tf、表面积A相关,还与对流换热系数h密切相关。发热单元表面的平均对流换热系数值h由模拟计算获得,如图7所示。表面对流换热系数变化趋势与其表面温度相反。

图7　不同进风速度与平均对流换热系数及平均温度的关系

表面对流换热系数对散热效果有重要影响。从图8中可以看出,速度为8.6m/s时速度过高,表面对流换热系数较小。气体快速由阻力最小途径流出,流经该局部是散热不够充分,散热效果不佳。若在高频箱内部合适位置安装导风板、开设通风孔则有利于将更多的气流导向发热量大的器件,避免高频箱内局部位置温度过高。

4结束语

本文基于典型雷达高频箱高可靠散热设计需求,利用数值仿真分析研究了典型高频箱热流特性及不同边界条件对箱体内部热流场的影响。由数值分析结果可知,高频箱壁面热边界设置对高频箱内温度影响明显。高频箱热设计时要考虑其使用环境,并在高频箱内部粘贴隔热棉或表面涂敷隔热材料。高频箱进风量越大,带走的热量越多。但是,进风量越多,并非高频箱内所有发热单元都会获得更好的冷却效果,气流在高频箱内流动优先寻找的是阻力小的路径。因此,高频箱通风换热设计时,根据器件的散热量和安装位置,设置导风板、通风孔等让更多气流穿过单位体积发热率高的器件,避免高频箱内局部温度过高而损坏元器件,从而可提高设备的使用寿命和可靠性。

(a) v=5.1 m/s(正反面) (b) v=8.6 m/s(正反面)

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[7]张腾, 等.基于Fluent的冷却器腔内流场的数值分析[J].技能技术,2009(6).

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

作者简介:宋荣贵(1984-),工程师,硕士,研究方向:雷达系统结构设计；顾毅君(1985-),女,工程师,硕士,研究方向:雷达总体技术；肖力(1983-),男,工程师,研究方向:雷达总体技术；杨志昆(1987-),工程师,硕士,研究方向:制冷及低温工程。

中图分类号:TN957.8

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)02-0056-05