基于Flotherm分析的某插箱热设计研究

梅 宇

(安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

传统热力学计算复杂、耗时长，通过热仿真技术可以极大地提高效率，缩短产品研发周期，降低成本。本文采用Flotherm对某插箱设备的设计方案进行热仿真，验证散热风扇选型的正确性，为类似设备的热设计提供借鉴依据。

1 Flotherm软件介绍

Flotherm软件是由英国Flomerics公司开发的专门针对电子散热领域的计算流体动力学(CFD)仿真软件。其可提供全面的散热仿真分析能力，如传导分析、流场分析、瞬态分析、辐射分析等，能够解决环境级、系统级、印制板级、元器件级的热分析问题[2]。用户根据需要去解决实际工程应用问题，能够预先估计元器件的工作温度，使热设计最优化，提高产品的可靠性。其求解器不仅应用了数值计算方法，而且结合了大量的电子散热开发经验和实验数据[3]，使求解迅速准确。另外Flotherm还提供专门应用于电子设备热分析的参数化模型创建技术，提供电子设备参数化三维建模，能够迅速、准确地建模，缩短产品开发时间，以及先进动态的可视化后处理技术，为设计人员提供智能自动化设计工具，在后处理模块中提供温度梯度、传热瓶颈和传热捷径等结果参数，帮助设计人员快速确定散热缺陷和改进方案。

2 应用实例

2.1 问题描述

某电子设备插箱的工作温度范围为-10 ℃至 55 ℃，最高允许温升为10 ℃。整机发热功耗为106.5 W，插箱的尺寸为440 mm×480 mm×88 mm(宽×深×高)。机箱材料为铝LY12，设备共6个槽位，其中槽位5为主控转接业务板可插拔，槽位6为电源位不可插拔，固定在机箱的底板上，其余槽位的板卡可插拔并能够互换。总线背板位于插箱中部，将设备分为前后2个部分，后部用于业务板安装，前部用于存储、录像单元、PC主板和信号转接板的安装，机箱风道为“左进右出”，如图1所示。

1-高清编码业务板；2-高清解码业务板；3-中控业务板；4-标清业务板；5-电源；6-主控转接业务板；7-NVR；8-2.5寸硬盘(2T)；9-PC主板；10-信号转接板；11-总线背板；12-风扇8025；13-风扇8010图1 某插箱结构模型

插箱内设备的散热功耗参数如表1所示。

表1 某插箱业务板功耗参数

2.2 散热风扇选型计算[4]

考虑到设备的整体布局及散热器件的功耗分布，拟采用总线背板前后分别布置一个散热风扇进行强制风扇散热。插箱的最高工作环境温度为55 ℃，内部设计在65 ℃条件下连续工作10 h，整机功耗为106.5 W，风扇选型计算如下：

Qe=Qv-Qs

(1)

Qs=KAΔT

(2)

式中：Qe为风扇所需的散热功率；Qv=106.5 W，为设备内热耗；Qs为设备外壳与外界热交换功率；K=2.5 W/m2·℃,为导热系数；A=0.41 m2,为有效插箱表面积。

根据德国工业标准DIN 0660.500部分，计算有效插箱表面积：

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

A=1.8BH+1.4BT+TH

(3)

式中：B为宽；T为深；H为高；ΔT为10 ℃ 设备温升。

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

综上计算得：Qe=96.25 W。

计算风扇所需体积流量：

Qe=QρCpΔT

(4)

Q=Qe/ρCpΔT

(5)

式中：Qe=96.25 W，为风扇所需的散热功率;ρ=1.013 kg/m3，为空气密度；Cp=1.005×103J/(kg·℃)，为空气比热容；ΔT=10 ℃，为设备温升。

由式(5)可得：Q=20×0.57 m3/min。

插箱被总线背板分为前后两部分，并且前部热功耗(65.5 W)较后部(41 W)大；其次，设备应用在多种工况下，散热复杂，需要采取冗余设计，提高设备可靠性。散热风扇参数如表2所示。

表2 散热风扇参数

2.3 温度场模拟及分析

利用Flotherm进行热力学仿真分析，前提是获取相应的物理参数，例如模型外形尺寸、关键器件尺寸、热耗分布以及材料属性等。其分析过程一般分为5个步骤：模型建立、网格划分、边界条件、求解、后处理[5]。根据前述问题描述，对某插箱边界条件做如下说明：环境温度为55 ℃，标准大气压，气流状态为紊流，箱体导热系数为2.5 W/m2·℃，强制风冷散热无需扩大求解域，系统求解的迭代次数为345次，温度监控点1为风扇8010出风口温度，温度监控点2为风扇8025出风口温度，温度监控点3为进风口温度，进、出风口温差即为设备温差。有限元模型如图2所示。

图2 插箱有限元模型

可视化后处理收敛曲线及温度监控点温度曲线分别如图3、图4所示。

图3 收敛曲线图

图4 监控点温度曲线

由图4可知，待设备内部达到温度平衡后温度监控点1、2(即出风口)温度相当，大约为59 ℃，符合问题描述中的要求。

如图5所示的温度分布云图及流迹曲线，插箱在55 ℃环境下，温度最高的元器件为总线背板的交换模块84.1 ℃，即所有的器件均在主芯片允许的最高温度范围内。

3 对标试验与验证

按照GJB367 A-2001(军用通信设备通用规范)对该插箱进行高温环境试验(+55 ℃)，并用温度传感器检测出风口处的温度，待环境试验箱内温度稳定后，插箱设备开机运行，2 h后记录出风口的温度。结果显示设备该项性能完好，出风口温度为68 ℃，证明该插箱设备热设计合理。

4 结束语

在产品设计的早期，利用CFD软件Flotherm可以方便快速地模拟设备内部温度场及阻力特性。不仅能辅助确定设计方案，而且可以及时发现方案中所存在的问题，便于热设计工作者对方案进行某些调整；在提升设备品质性能的同时，缩短了整个设备的研发周期，为设备最终进入市场奠定了良好的基础。

本文从具体的工程实例出发，阐述了强迫风冷散热风扇的选型理论计算，然后从仿真分析的角度进行仿真，最后通过对标试验进行验证，证明方法的可行性及正确性，为今后类似设备的热设计提供了借鉴依据。