基于Icepak的屜式插箱結構風冷仿真

（1洛陽師范學院物理與電子信息學院，河南 洛陽471022;

2中航鋰電（洛陽）有限公司，河南 洛陽 471003）

摘 要：以Icepak作為仿真工具，以一種屜式插箱為仿真對象，針對強迫風冷時氣流方向及風機位置對冷卻效果的影響進行分析，并結合仿真結果得出該結構因素同風冷效果之間的關系，從而為結構設計時風機位置選擇及風道形式布置提供參考。

關鍵詞：Icepak;強迫風冷;屜式插箱;熱分析;風道

1 引言

對熱流密度較大的電子電氣設備而言，通風散熱設計是設備結構設計的一個重要方面。國外相關統計數據表明，溫度因素是引起電子電氣產品失效的“元兇”。因此，電子電氣設備在結構設計時須考慮必要的熱管理手段（通常為風冷或液冷）以提高產品安全性、可靠性及使用壽命。

相比液冷方式，在實際應用中，強制風冷以其更易實現、成本更低廉、適應性更強等特點而獲得了更廣泛的應用。強制風冷的效果好壞除取決于所用風機的性能外，還取決于氣流方向和風機的位置布局。

本文以Workbench中的專業熱分析軟件Icepak為工具，結合仿真結果，針對電子電氣設備中氣流方向和風機位置對風冷效果的影響進行分析，得出風冷效果與氣流方向和風機位置之間的關系，為電子電氣設備的散熱措施和風道設計提供參考。

2 強迫風冷基本原理

從工程熱力學角度，傳熱方式有傳導、對流和輻射三種。其中，傳導發生于兩種直接接觸的介質（氣體、固體、液體）之間，能量傳遞以自由電子運動或晶格振動的形式發生;對流發生在有溫差的表面和運動流體之間，有自然對流和強迫對流兩種;輻射發生在兩種沒有直接接觸的表面，能量通過電磁波傳遞。強迫風冷在本質上屬于強迫對流形式。

本文分析對象的熱管理方式為強迫風冷，強迫風冷的原理如下：根據牛頓冷卻定律（Newton’s Law of Cooling），處于氣流中的某物體，其溫度不同于氣流溫度，則其與氣流之間的熱量傳遞值Q為：

Q = h·A·（Tw-Tf） = ?T/R

式中，Q=小物體塊到空氣的全部熱量;

h=平均傳熱系數;

A=小物體塊的接觸面積

Tw=小物體塊的平均溫度;

Tf =小物體塊附近氣流的平均溫度;

R = 1/（h·A） ，熱阻

在工程應用中，典型的傳熱系數h和熱阻R值如下表1所示。

3 風機位置對冷卻效果的影響分析

本文針對一種屜式后備電源插箱進行分析。該插箱結構設計依據IEC297-3進行，其寬度為19in（482.6mm），高度為3U（133mm），深度為460mm，其外形結構如圖1所示，采用軸流風機進行通風散熱。

3.1 風機位置對流場速度分布的影響

進行強迫風冷時，可以采用由系統向外抽風的方式，也可以采用向系統內鼓風的方式。對于前者而言，軸流風機從插箱內抽出熱空氣，風機位于插箱風道的出口處，即風道的下游。對后者而言，軸流風機位于插箱風道的冷空氣入口處，即風道的上游。

軸流風機的安裝位置直接插箱的冷卻效果。根據對氣流流場分布的測量，風機應安裝在風道的下游，這時風道較長，氣流分布效果也更合理，由圖2可直觀地看出采用兩種不同風機位置時氣流速度的分布效果。

由圖2可知，風機安裝在氣流的下游時速度分布較好，相應的冷卻效果也較好。如果風機安裝在氣流的上游，則速度分布較差，在一定結構因素的影響下還可能引起渦流進而影響冷卻效果。

3.2 對于風機位置的仿真分析

（1）分析模型建立。本文所分析的屜式后備電源插箱的三維模型如圖3所示。在滿足仿真精度的前提下，依據插箱中部件的結構及功能特點對插箱模型進行簡化。

該屜式后備電源插箱的核心部分為若干支磷酸鐵鋰（LiFePO4）單體電池構成的電池模組，在Icepak中使用“block”來描述;插箱端部的通風柵在Icepak中則用“opening”進行描述;插箱端部的軸流風機通過建立“fan”來描述，插箱的箱壁則通過建立“wall”來描述。在建模過程中，相同物性的元件利用Icepak軟件的克隆（Copy object）功能來快速生成（如圖4（a）所示）。各元件生成后，編輯其屬性使其能合理反映插箱各部分之間的物性關系。建立的簡化模型（線框模型）如圖4（b）所示。

（2）網格劃分。在Icepak中建立模型后就要進行網格劃分工作，先生成粗網格（coarse mesh）進行網格檢查（如圖5所示），對網格太粗的部位，選中相應元件進行細化，重新檢查網格直至確認滿足分析需求。

（3）檢查氣流。對于Icepak熱分析來說，在完成網格劃分之后，求解之前還需進行一步檢查氣流的操作。該步驟目的在于通過檢查模型的雷諾（Reynolds）數和皮克列（Peclet）數來確定是激活湍流模型（Turbulent Model）還是層流模型（Laminar Model）。對該屜式插箱模型，根據檢查模型所獲得雷諾數和皮克列數激活湍流模型。

（4）求解計算。完成前處理過程后對模型進行求解，此時Icepak打開一個Monitor窗口來描述求解的殘差，并動態顯示收斂過程，如圖6所示。分析該窗口可知殘差曲線此時已收斂。

（5）查看結果。在確定求解的殘差曲線收斂后，便可通過Icepak的后處理工具查看結果。對本文所分析的屜式電源插箱而言，在此主要關心其氣流速度分布、各部分溫度分布云圖等指標。該分析在軸流風機位于插箱尾部（抽風）時所得到的氣流場速度及溫度分布如圖7、圖8所示，在軸流風機位于插箱前部（鼓風）時所得的氣流場速度及溫度分布如圖9、圖10所示。

由上述分析可知，在單一變量條件下，可得出下列結果：

（1）風機后置的氣流場分布效果較好，而在風機前置時，插箱內的氣流場出現渦流（圖12）;

（2）風機后置時插箱內氣流場的最大氣流速度（9645.29m/s）為風機前置時最大氣流速度（2804.53m/s）的3.4倍;

（3）風機后置時插箱內的最高溫度（20.65℃）要低于前置時的最高溫度（20.71℃）;

（4）風機后置時插箱內的高溫區域面積要小于前置時的高溫區域面積。

綜上，風機后置位于插箱風道下游時（抽風）的冷卻效果更佳，這與3.1節所述的氣流流場分布測量結果一致。

4 結語

本文分析了氣流方向和風機位置對屜式插箱結構強迫風冷效果的影響，基于單一變量原則，通過Icepak熱分析軟件對風機位于風道上游及風道下游兩種情形進行對比仿真模擬，所得的仿真結果驗證了相應的理論分析：在強迫風冷時，軸流風機的安裝位置直接影響插箱結構的冷卻散熱效果。同等條件下，當風機位于設備風道下游且由系統向外抽風時冷卻效果更佳。

參考文獻：

[1]趙惇殳.電子設備熱設計[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]許國良，王曉星，鄔田華.工程傳熱學[M].北京：中國電力出版社，2011.

作者簡介：賈磊磊（1988-），男，河南洛陽人，碩士，助教，研究方向：微電網/儲能系統設計。