内嵌式蒙皮散热器气动阻力影响研究

叶元鹏，李应杰，何宇

内嵌式蒙皮散热器气动阻力影响研究

叶元鹏，李应杰，何宇

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，成都 610036）

开展内嵌式蒙皮散热器对小型飞行器气动阻力影响研究，探明气动阻力产生的原因及影响因素。利用数值仿真技术，对气动阻力增大的诱因进行理论分析，分别研究蒙皮散热器引流口半径、导流口半径和翅片厚度等结构参数对飞行器气动阻力及散热性能的影响，进而平衡蒙皮散热器散热能力和飞行器气动阻力等设计指标。配置蒙皮散热器为电子设备提供热沉会导致小型飞行器气动阻力增大，原因是配置散热器诱导产生了额外的压差阻力和摩擦阻力。增大引流口、导流口半径可减小压差阻力，增加翅片厚度，则可减小摩擦阻力，进而减小飞行器气动阻力。增加翅片厚度，可使气动阻力减少20%以上，同时也会导致传热性能的显著降低，增大引流口、导流口半径则可在一定程度促进传热。

小型飞行器；蒙皮散热；气动阻力；耦合；数值仿真；湍流

随着航空技术的发展，小型飞行器正成为一个重要的发展方向[1-6]。麦克唐纳公司研发的AMD-20A“鹌鹑”[7]，是一种可按预定航线飞行的小型无人机。雷神公司研制的MALD是一种由涡喷发动机提供动力的飞行器，其主要通过模拟飞机的信号特征来保护飞机。

小型飞行器可通过搭载电子设备来实现不同的功能，其对于电子载荷及载荷能力配置的依存度越来越高。设计时，需要对电子载荷提供合理布局，并配备有效的散热措施，确保电子载荷在全工况内能正常工作。对于动力型小型飞行器而言，受空间限制，载荷能力配置受限。同时，由于燃料携带量需占据较大重量、空间，对于航程要求较高的场景，无法利用有限的资源额外提供电子载荷所需环控散热条件。由于内嵌式蒙皮散热器不改变飞行器气动外形，具有一体化优势和较好的气动特性，且作为被动低能耗冷却方式，已被A320、B757、CL-600、C17、B16等飞机采用[8]。

采用内嵌式蒙皮散热器为电子设备提供热沉，是一种有效热传输及低代偿的方案。王超等[9]在某直升机载电子吊舱环控供液系统中采用蒙皮换热器，对吊舱环控系统原理、试验原理、制冷性能等开展了研究。曹仁凤等[10]开展了基于蒙皮散热器的无人机电子设备冷却方案研究。徐鹏刚等[11]对蒙皮换热器的结构、试验方法开展了研究，提出了一种简便的试验方法。党晓民等[12]、张宇等[13]、刘剑飞等[14]对蒙皮散换热器的散热性能及地面试验等开展了研究。

采用内嵌式蒙皮散热器可保持飞行器气动外形，但在实际应用中还存在许多问题，如总压恢复系数比较低，流动阻力较大，流场畸变大等[15-16]。蒙皮散热器一般采用内嵌式翅片流道作为散热通路，翅片结构是影响换热器性能的重要因素。Luo等[17]以翅片高度、厚度以及间距等结构参数作为自变量，提出一种结构设计与优化算法，可用于水平板翅式散热器的设计。王伟平等[18]在对多孔式翅片进行研究时也发现，增加孔隙率并不能明显提升传热效率，反而会导致流阻增大。因此，在通过结构优化提高换热器传热性能的同时，可能会导致流阻的上升，对于飞行器，气动阻力又是制约其航程的重要因素，尤其是小型飞行器，气动阻力的增大对其航程的影响更为显著。此外，内嵌式蒙皮散热器因其内嵌结构，会对空气流向产生扰动，易诱导产生较大气动阻力。然而，目前公开文献对内嵌式蒙皮散热器阻力来源，以及气动阻力与散热耦合等相关研究尚少有涉及。

综上所述，本文以长度4 m以下的某小型飞行器的内嵌式蒙皮散热器为研究对象，利用数值仿真技术，对气动阻力增大的诱因进行理论分析，并分别研究引流口半径、导流口半径和翅片厚度等结构参数对飞行器气动阻力及散热性能的影响，为设计提供参考。

1 物理模型与网格划分

1.1 物理模型

布置内嵌式蒙皮散热器的某小型飞行器的几何模型如图1所示。散热器安装在飞行器前端顶部，散热器外表面与飞行器共形，流道内嵌，形成内嵌式翅片，如图2所示。

图1 某小型飞行器几何模型

图2 某小型飞行器蒙皮散热器

1.2 网格划分

为提高数值仿真效率，本文网格划分采用混合网格模型，如图3所示。在具有不规则外形的散热器/机体模型区域采用四面体非结构网格，在结构规则的外部流体区域采用六面体结构网格，同时局部细化飞行器周围流体网格，并进一步细化飞行器表面流体网格。同时，为确保结构网格及非结构2种网格交界面处数据交互的准确性，在交界处对节点进行了合并。采用不同网格密度计算网格对计算模型进行网格无关性验证。当网格数量达到580万左右时，阻力变化小于5%，该网格基本满足数值仿真要求，如图4所示。

图3 某小型飞行器网格模型

图4 不同网格数量模型计算的气动阻力

2 仿真设置及计算模型

2.1 边界条件及假设

本文仿真计算的流体假设为满足理想气体状态方程的空气，固体为铝合金。计算时所采用的边界条件：外部流体域采用远场边界，飞行高度为500 m，飞行速度为0.6；计算域的固体壁面速度无滑移，计算模型中面设置为对称边界。物性参数见表1。

表1 材料物性参数

Tab.1 Physical parameters of materials

2.2 计算模型及仿真设置

计算域内的流动可通过求解质量守恒方程和动量守恒方程[19]完成，分别如式（1）和式（2）所示。

式中：为流体密度；为流体速度矢量；为流体微元体上的压力；为时间；为因分子黏性作用而产生在微元体上的黏性应力张量；为力源项。

本文采用的湍流模型为Realizable-epsilon模型[20-21]，见式（3）和式（4）。

传热则通过求解能量方程实现，以温度为变量的能量守恒方程[22]见式（5）。

式中：T为黏性热源项。

上述的方程和边界条件利用Fluent 18.0软件完成求解。方程的求解采用压力–速度耦合SIMPLE算法[23]。与一阶迎风格式相比，二阶迎风格式的精度更高[24-25]，所以压力方程、动量方程、压力以及能量方程采用二阶迎风格式离散。

3 结果与分析

3.1 蒙皮散热器气动阻力来源分析

对于亚音速飞行器，气动阻力的来源主要包括摩擦阻力、压差阻力、干扰阻力以及诱导阻力[26-27]。其中，前3种阻力主要由空气黏性引起，而最后的诱导阻力则由升力导致。干扰阻力和诱导阻力一般与机翼相关，不在本文的研究范畴。本节将对比不带散热器的飞行器与带有蒙皮散热器飞行器的气动阻力，分析蒙皮散热器气动阻力来源，引出结构优化方向。

其中，无蒙皮散热器飞行器的气动阻力为145.7 N，而配置共形散热器时，飞行器气动阻力高达200.6 N，增加约38%，蒙皮散热器对飞行器气动阻力影响明显。为分析散热器气动阻力来源，给出散热器附近沿航向竖直截面内流场特征和压力分布，如图5a所示。由图5a可知，在引流口近壁面附近，由强烈的速度差引起二次流，又称迪恩涡。在二次流对应位置处，形成了较明显的负压，如图5b所示。另外，在导流口附近，因为内嵌式导流口结构改变了空气流向，使该处产生了较大的正压，故散热器导流口和引流口之间会有较大的压差，进而产生压差阻力。

图5 RI=100 mm、RO=100 mm散热器附近流场特征和压力分布

另外，给出了散热器附近沿着飞行器航向水平截面内的气体速度（沿方向的速度分量）沿方向的梯度分布，如图6所示。可以发现，流道内翅片附近存在较明显的边界层，在边界层内速度梯度较大，结合空气的黏性，将产生明显的摩擦阻力。

图6 散热器翅片附近速度梯度分布

通过以上分析可知，蒙皮散热器气动阻力主要来自压差阻力和摩擦阻力，其中压差阻力与引流口、导流口结构相关，摩擦阻力主要与翅片结构有关。后文将研究引流口、导流口半径以及翅片厚度对气动阻力的影响。主要考虑以下3个结构参数的影响：不同进导流口半径I对气动阻力的影响；不同排导流口半径O对气动阻力的影响；不同翅片厚度对气动阻力的影响（保持翅片厚度和流道宽度之和为10 mm不变）。

3.2 引流口、导流口半径对气动阻力的影响

翅片厚度相同的条件下，改变引流口半径I、导流口O半径，见表2。随着引流口半径的增加，飞行器气动阻力降低，如图7所示。同样，随着导流口半径增加，气动阻力也呈现降低的趋势。从图7中还可以看出，半径变化相同的情况下，导流口对气动阻力的影响更大，增大导流口半径，可使气动阻力相对于工况2减少12.6%。

图7 引流口、导流口半径对气动阻力的影响

表2 散热器几何尺寸

Tab.2 Geometric size of radiator

为分析引流口、导流口半径对气动阻力的影响机制，分别给出散热器附近的流场特征和压力分布，如图8所示。增大引流口半径，引流口附近的二次流尺寸显著减小，引流口附近不再存在明显的负压区域（如图8b所示），整体压差减小，使得气动阻力减小。

图8 RI=150 mm、RO=100 mm散热器附近流场特征和压力分布

由图9可知，增大导流口半径，可使空气流向的改变减缓，减小了导流口对从内嵌流道流出空气的阻挡，所以此处的空气增压幅度以及区域明显减小（如图9b所示），进而减小了整体压差，使得气动阻力减小。

图9 RI=100 mm、RO=150 mm散热器附近的流场特征和压力分布

3.3 翅片厚度对气动阻力的影响

在引流口半径I、导流口O半径固定的条件下，改变翅片厚度，见表3。随翅片厚度增加，飞行器气动阻力逐渐减小，相对于工况1，气动阻力可降低21.0%，如图10所示。导致这一现象的原因是，随散热翅片厚度增加，流道宽度减小，一方面会减小进入内嵌流道空气流速，减小速度梯度；另一方面会减小流道中流体体积，从而减小因速度差而累积的摩擦阻力。总体而言，翅片厚度增加可减小摩擦阻力，进而降低飞行器气动阻力。

表3 散热器几何尺寸

Tab.3 Geometric size of radiator

图10 翅片厚度对气动阻力的影响

3.4 低气动阻力散热器结构对散热性能的影响

为评估在优化减小散热器气动阻力的同时，对散热性能产生的影响，本文进行了非等温模拟。在非等温模拟中，设置远场空气温度为300 K，散热器底部添加热流密度均匀的热源，热耗约700 W，飞行器其余面假设为绝热面。选取3种气动阻力较小的散热器结构（工况2—4）与参考结构（工况1）进行对比，见表4。

表4 用于非等温模拟的散热器几何尺寸

由表4可知，增大引流口、导流口半径，对散热能力基本没有影响，而增大翅片厚度会降低散热性能。因此，在选取结构参数时，可在允许范围内，尽量增大引流口和导流口半径；对于翅片厚度，应根据需求确定。当散热需求更高时，需减小翅片厚度；当飞行器气动阻力有较大限制时，则需要适当增大翅片厚度。

4 结论

本文对布置内嵌式蒙皮散热器的某小型飞行器气动阻力影响进行了数值仿真分析，得出如下主要结论：

1）内嵌式蒙皮散热器会增大飞行器气动阻力，气动阻力主要包括压差阻力和摩擦阻力，其中压差阻力主要由引流口、导流口结构所致，摩擦阻力则主要由翅片结构所致。

2）增大引流口和导流口半径可在一定程度上减小飞行器阻力，其中导流口半径的影响更大。增大导流口半径，可使气动阻力相对于参考工况减少12.6%。

3）增加翅片厚度，飞行器气动阻力会显著降低，相对于参考工况，气动阻力可减小21.0%。

4）改变引流口、导流口半径，对散热能力基本没有影响，而增大翅片厚度，则会显著降低散热性能。

本文分析了4种结构参数对气动阻力的影响，可以为内嵌式蒙皮散热器结构设计带来一定指导。如本文所述，散热器诱导产生的阻力机制有2类，这2类阻力机制以及4种结构参数之间是否存在耦合影响仍需研究，这将在后续工作中进行进一步研究。

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Effect of Embedded Skin Radiator on Aerodynamic Drag

YE Yuan-peng, LI Ying-jie, HE Yu

(The 29th Research Institute of CETC, Sichuan Chengdu 610036, China)

The work aims to investigate the effect of embedded skin radiator on aerodynamic drag of small aircraft, and explore the causes and affecting factors of aerodynamic drag. The inducement for the increase of aerodynamic resistance was theoretically analyzed with numerical simulation technology. In order to guarantee the balance between design indicators such as heat transfer of skin radiator and aerodynamic drag of aircraft, the effect of structural parameters such as skin radiator drain port radius, guide port radius and fin thickness on the aerodynamic drag and heat transfer of the aircraft was studied. The skin radiator was configured to provide heat sink for electronic equipment, leading to the increase of aerodynamic drag of small aircraft due to the additional pressure drag and frictional drag. The pressure drop drag can be reduced by increasing the drain port and the friction drag can be reduced by increasing the fin thickness, thus reducing the aerodynamic drag of small aircraft. Increasing the fin thickness can reduce the aerodynamic drag by more than 20%, and lead to a significant reduction in heat transfer performance. However, increasing the radius of the drain port and the guide port can promote the heat transfer to a certain extent.

small aircraft; skin heat dissipation; aerodynamic drag; coupling; numerical simulation; turbulence

2022-11-17；

2023-02-07

YE Yuan-peng (1985-), Male, Master.

叶元鹏, 李应杰, 何宇. 内嵌式蒙皮散热器气动阻力影响研究[J]. 装备环境工程, 2023, 20(6): 036-042.

V271.9

A

1672-9242(2023)06-0036-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.06.005

2022–11–17；

2023–02–07

叶元鹏（1985—），男，硕士。

YE Yuan-peng, LI Ying-jie, HE Yu.Fatigue Effect of Embedded Skin Radiator on Aerodynamic Drag[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(6): 036-042.

责任编辑：刘世忠