屏蔽室通风仿真设计研究

吕 芳， 姜建中， 贡毅超， 张 岩

（1.军事科学院国防工程研究院， 北京 100000；2.中国电子科技集团公司第三十三研究所， 山西 太原 030032）

引言

屏蔽室通风设计是为了在散热、通风与空气调节中执行国家经济政策，采用先进技术，合理利用资源和节约能源，保护环境，保证健康舒适的工作和生活环境[1-3]。

本次屏蔽室通风仿真设计根据总体要求，以某项目屏蔽室为研究对象，屏蔽室大小（长×宽×高）为6 500 mm×4 000 mm×3 000 mm，提出了五种较为常见的通风方式，通过研究各布置方式出风量的变化，为今后的工程应用提供设计依据。图1 为该屏蔽室外观。

图1 屏蔽室外观

1 屏蔽室通风设计理论基础

屏蔽室通风设计主要是指对屏蔽室内部的通风量进行设计，其理论基础为流体力学。本次屏蔽室热设计使用CFD 软件ANSYS Icepak 软件对屏蔽室通风进行仿真设计。

1.1 CFD 仿真基础

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）主要通过计算机数值计算和图像显示的方法，求解流体力学和传热学等，在空间和时间上定量描述各物理量的数值解，从而达到对相关物理现象进行分析研究的目的[4-5]。其基本思想为：将时间和空间上连续的各物理量，如速度场、温度场、压力场等，用有限个离散单元上的变量值来替代，通过隐式方程建立有限个离散单元上变量之间的代数方程组，求解代数方程组，以获得各物理场的近似值[6-7]。

ANSYS Icepak 使用隐式计算的方法，利用的连续性方程（Continuity Equation，也称质量守恒方程）为：

动量守恒方程（Momentum Conseravation Equation，也称Navier-Stokes）：

X 方向动量：

Y 方向动量：

Z 方向动量：

式中：u、v、w 为X、Y、Z 三个方向的速度；Su、Sv、Sw为动量守恒方程的广义源项。

能量守恒方程为：

式中：Cp为比热容；T 为温度；ST为黏性耗散项。

1.2 自然对流模型选择

ANSYS Icepak 提供两类自然对流模型：一种模型为Boussinesq approximation，称为布辛涅斯克近似；另一种模型为Ideal gas law，即理想气体方程。

1）Boussinesq approximation：布辛涅斯克近似模型在自然对流控制方程中，动量方程浮力项中的密度是温度的线性函数，而其他所有求解方程中的密度均假设为常数。浮力项中的密度公式为：

式中：ρ∞为周围环境的空气密度；t∞为周围环境的空气温度；β 为周围环境空气的膨胀系数。

Boussinesq approximation 是ANSYS Icepak 默 认的自然对流模型，适用于大部分电子产品的自然散热模拟计算。

2）Ideal gas law：当流体密度变化非常大时，使用Ideal gas law 理想气体方程。由于屏蔽室内部通风流体密度变化较小，因此本次仿真使用Boussinesq approximation 对流模型。

2 屏蔽室通风设计方案

2.1 冷却方式选择

屏蔽室采用通风散热的方式将内部设备进行冷却，冷却方法主要是根据期间的热流密度和温升要求进行选择[8]，可参考图2 进行。

图2 冷却方法的合理选择

从图2 中可以看出，本次研究的屏蔽室由于空间较大，且主要屏蔽材料均为金属材料，因此，综合考虑成本与维护便利性，采用强迫空气冷却的方法进行选择。研究风扇布置方式，从而尽可能加大排风量，对促进屏蔽室热设计有着现实意义。

2.2 风扇布置方式

本次研究五种风扇布置方式下屏蔽室通风量大小，目的是研究五种风扇布置方式时，改变出风口位置对通风量的影响。屏蔽室大小（长×宽×高）为6 500 mm×4 000 mm×3 000 mm，风扇采用EBMW6D800-GD01 风机，风机布置方式为4 个风机上下两排呈2×2 阵列布置形式，该风机的流量扬程曲线如图3所示。

图3 风机流量- 扬程曲线

出风口波导窗为Φ3.2 mm 波导，规格尺寸为800 mm×600 mm，开孔率为81%。波导窗由于有安装法兰，法兰距离为50 mm，因此两个通风波导的最近距离为100 mm。波导窗安装孔距离为75 mm，因此，通风波导设计调整距离均为75 mm 的整数倍。据此分析以下五种通风设计方案，并对结果进行分析。

2.2.1 方案一

风机布置在侧墙背面，与出风口相对布置，该方式布置风阻最小，具体布置方式如图4 所示。将两边的波导窗依次从与中间的波导窗相距100 mm 沿横向扩张到1 750 mm。

图4 方案一

波导窗出风口风速与质量流密度如图5 所示，依次向两边移动75 mm，处理各出风口仿真数据后，得到的出风口风量变化曲线如图5 所示。

由图5 可以看到，出风口出风量与距离的函数满足二次方程，对该二次方程求导可得y'=1.2×10-6x- 0.001，可以据此分析出风量随距离变化的变化率。在达到1 000 mm 后，出风量随距离的增大基本不变，|y'|≤0.002。

图5 方案一出风量变化曲线

2.2.2 方案二

方案二进风口风机位置与方案一相同，出风口设置为将两边的波导窗依次从与中间的波导窗相距100 mm 沿纵向扩张到550 mm，如图6 所示。

图6 方案二

波导窗出风口风速与质量流密度如图7 所示，依次向上下两边移动75 mm，分析仿真结果，出风周围的波导窗风速逐渐减小，中间出风口速度逐渐增大，风速从垂直出门面逐渐变为有一定角度向上下两边扩散。统计各出风口出风量，得到的出风口总风量变化如图7 所示。

图7 方案二出风量曲线

由图7 可以看到，出风口出风量与距离的函数满足三次方程，对该三次方程求导可得y'=6×10-8x2-4×10-5x+0.004，可以据此分析出风量随距离变化的变化率。在175～450 mm 之间变化率较大，其他位置出风量随距离的增大基本不变，|y'|≤0.001 85。

2.2.3 方案三

风机布置在侧墙背面，与出风口相对布置，该方式布置风阻最小，将两边的波导窗依次从与中间的波导窗相距100 mm 沿纵向与横向分别扩张到550 mm，如图8 所示。

图8 方案三

波导窗出风口风速与质量流密度如图9 所示，依次向上、下、左、右四个方向分别移动75 mm，分析仿真结果，出风都集中在中间的通风波导窗上，向四周分散的波导窗明显较方案一、方案二风阻大，向四周扩散的出风口较前两种方案流量下降更快，前三种方案的风阻差别不大，都是适合在正对入风口和出风口的位置布置发热设备的风道布置方式，但除了正对的位置，其他部位换气量较小。对仿真数据进行处理，得到出风口总风量变化如图9 所示。

图9 方案三出风量曲线

由图9 可以看到，出风口出风量与距离的函数满足二次方程，对该二次方程求导可得y'=2×10-6x-0.002，可以据此分析出风量随距离变化的变化率。在100～550 mm 之间变化率基本呈线性关系，出风量随距离的增大而减小，|y'|≤0.000 9。

2.2.4 方案四

风机布置在顶部墙面的中后部，出风口布置在侧墙上。将两边的波导窗依次从与中间的波导窗相距100 mm 沿横向扩张到1 750 mm，如图10 所示。

图10 方案四

波导窗出风口风速与质量流密度如下页图11 所示，依次向左、右两边分别移动75 mm，方案四布置风速随着波导窗距离的增加而不断增大，出风角度相较之前的三种方案显得更加复杂，向四周扩散开，出风量也没有明显规律，该布置方式风阻较大，适合在内部空间较大时使用，且出风口尽量分散布置。对仿真结果进行计算，得到出风口总风量变化如图11 所示。

图11 方案四出风量曲线

由图11 可以看到，出风口出风量与距离的函数满足二次方程，对该二次方程求导可得y'=3.28×10-7x+3.99×10-4，可以据此分析出风量随距离变化的变化率。在100～1 750 mm 之间变化率基本呈线性关系，出风量随距离的增大而增大，|y'|≤0.000 431 8。

2.2.5 方案五

风机布置在顶部墙面的侧面，出风口布置在侧墙上，进出风口呈90°布置。将两边的波导窗依次从与中间的波导窗相距100 mm 沿横向扩张到1 750 mm，如图12 所示。

图12 方案五

方案五布置风速随着波导窗距离的增加呈现振荡波动，出风角度相较之前的三种方案显得更加复杂，向四周扩散开，出风量也没有明显规律，该布置方式较方案一、方案二、方案三风阻较大，相较于方案四风阻略小，可以在侧面设备需要散热时使用，且可以根据设备位置布置出风口位置，而不会引起风阻的增加。对仿真结果进行计算，得到出风口总风量变化如图13 所示。

由图13 可以看到，出风口出风量与距离的关系不明显，呈振荡分布趋势。将五种方案合并后观察得到如图14 曲线图。

图13 方案五出风量曲线

图14 五种方案出风量曲线图

深入分析可以发现，方案一和方案五的出风量随着距离的增大不断减小，具体数值差距如图15 所示。

图15 方案一与方案五出风量差值

由图15 分析后可以看出，方案一和方案五布置方式出风量逐渐接近，最终稳定在0.21 kg/s 左右。

方案四呈上升趋势，方案一呈下降趋势，因此猜想方案一和方案四的风阻均值与方案五相同，因此，做如下分析，如图16 所示。

图16 方案一与方案四均值与各方案趋势图

将方案一和方案四的均值与方案五分析可见，基本上与方案五的出风量是重合的。

3 结论

1）通过对五种方案进行对比得到如下规律：分析方案一、方案二、方案三可以发现，在进出风口相对布置时，出风量随出风口距离增大而减小；分析方案四可以得出，出风量随出风口距离增大而增大；分析方案五可得，在按照此种方式布置进出风口时，出风量与距离呈振荡分布。

2）方案一、方案二、方案三的进风口布置方式风机受到的阻力最小；方案四进风口布置风机受到的阻力最大；方案五进风口布置风机方式风机受到的阻力介于方案一和方案四之间，且基本不会随出风口布置距离的改变发生太大的变化。因此在设计通风时，可以将进风口与出风口按照规律合理设计，尽可能选用风阻最小的设计方法。