基于強迫風冷的風道特性測試技術研究

張慶軍，李麗丹，何 釗

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000）

基于強迫風冷的風道特性測試技術研究

張慶軍，李麗丹，何 釗

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000）

強迫風冷設計中不當的風扇型號將導致電子設備的高溫失效或不可逆損壞，而風扇型號的選取則直接由系統的阻力特性所決定，因此阻力特性曲線的確定成為強迫風冷設計的關鍵步驟。為準確、便捷地得到系統阻力特性曲線，基于風道特性測試理論搭建一套風道阻力特性測試系統，通過測量流經系統的空氣流量及對應的壓力損失得到系統的阻力系數，為風扇的型號選取提供依據。利用該測試系統測量多種分布形式機箱的阻力特性，結合理論和實驗結果分析影響風道阻力特性的因素，總結其對阻力系數的影響關系和具體原理，為強迫風冷的風道設計提供參考。

流體力學；阻力特性；風道；強迫風冷

0 引 言

強迫風冷設計中關鍵的步驟在于系統風量的選取，風量不足會引起元器件的溫升過高，影響元器件壽命[1]；風量過多，不僅系統散熱效果提升有限，亦會引起能耗、設備體積與質量增加以及噪聲過大等問題[2]，因此適當風量的選取對于強迫風冷系統就變得十分重要。真實工況下的系統風量受到以下兩個因素的影響：1）所選取風扇的性能曲線（P-Q曲線）；2）系統的風道阻力特性曲線[3]。前者可由風扇供貨廠家提供，后者則直接由所設計的機箱結構決定，本文正是在以上基礎上搭建了風道阻力測試系統用于測量所設計機箱的阻力特性曲線，便于風冷設計中的風扇選取。

現有的常用于計算風道阻力系數的方法有兩種：1）采用理論公式結合經驗值的方法進行計算；2）基于仿真的方法利用現有的仿真平臺進行計算。前者公式復雜且某些系數只存在經驗值，例如局部阻力系數ε，當系統風道結構較為復雜時不僅會給設計人員帶來繁瑣的工作[4-5]，且引入的誤差可能會累積、放大，最終導致風扇選型不正確。對于后者，現在常用的一些仿真平臺包括Icepak、Flotherm和Fluent等，前兩款軟件雖操作簡單，但是作為專業的熱分析軟件在處理流體問題時會簡化大量的細節，數學模型也較簡單，計算結果會存在較大的誤差，只能用來對壓力損失進行粗略的估計；而Fluent作為專業的流體分析軟件，在計算系統的壓力損失時能獲得較為精確的值，但同時該平臺參數設置復雜，通常需要使用者具有豐富的流體力學和數值計算知識[6]。

綜上，本文根據風道阻力特性測試的相關理論搭建了測試系統，利用該測試系統能夠幫助熱設計人員快速獲得系統的阻力特性曲線。

1 風道阻力特性測試理論

風道的阻力損失也即靜壓損失，在系統中常由兩部分引起，包括沿程壓力損失和局部壓力損失。其中沿程壓力損失[7]理論計算公式為

式中：λ——沿程阻力系數；

L——風道長度，m；

ρ——空氣密度，kg/m3；

ν——空氣流速，m/s；

D——當量直徑，m；

A——風道截面積，m2；

S——管道濕周周長，m；

h、b——矩形管道的高和寬，m。

局部壓力損失是當氣體進入或離開風道或氣流路徑上的風道截面發生突然變化以及風道出現轉折時能量損失所引起的[8]，其理論計算公式為

式中ε為局部阻力系數。

由此可知風道的壓力損失ΔP為

定義無量綱壓力損失系數k為

因此只需通過實驗測量出某一流量下的壓力損失和入口流速便可計算出壓力損失系數k。

2 測試系統搭建

由式（4）可知，要測量系統的阻力系數需要同時知道流經系統的空氣流速和對應的壓力損失，據此搭建了圖1所示的測量系統。依據GB/T 12992——1991《電子設備強迫風冷熱特性測試方法》在實際測量中分別在機箱前后布置16個測點，求其平均值以得到準確的壓降。供風設備選擇了可調速離心風機，測量時進行多組實驗利用最小二乘法求阻力系數值。

圖1 風道阻力特性測試系統平臺

3 風道阻力特性的測試

3.1 風道阻力特性測量方法

為削弱風道內的紊流現象，在出風道內安裝多孔結構的泡沫銅以達到穩流的效果[9]，在只安裝泡沫銅的情況下調節風機風速，獲得8檔風速下對應的流量′與壓力損失利用最小二乘法思想求此時系統的阻力系數，即求得的k′使式（5）得到最小值。

同時安裝泡沫銅和在機箱內安裝模塊時，在8檔風速下分別測量壓降ΔPi和流量Vi，求得k值使得式（6）的值最小，即為該機箱的阻力系數。

3.2 風道阻力特性測量結果及分析

本文共搭建了11種結構形式的風道，按照3.1節中的方法進行了阻力特性測試，部分模塊分布如圖2所示（模塊高度14cm）。繪制出11種方案的流量-壓力損失圖，如圖3所示。

圖2 部分方案模塊（單位：mm）

圖3 各方案流量-壓力損失曲線圖

根據式（3）可知，整個系統的壓力損失包括沿程壓力損失和局部壓力損失，其中沿程壓力損失與濕周半徑、風道長度、截面積、流體與壁面的摩擦力以及流體內部的摩擦力有關，而局部壓力損失系數與風道截面形狀、面積有關。某些參數相互關聯、相互影響，如改變風道面積的同時濕周半徑亦會改變，并且部分參數不存在準確的理論值，難以做單方面因素的定量分析。結合實驗所得的數據，現從風道面積、風道數、風道內模塊長度和楔形塊等因素定性討論其對風道阻力系數的影響。

3.2.1 風道面積對風道阻力系數的影響

為了盡量避免除風道面積外因素對阻力系數帶來的影響，這里選用機箱內安裝相同模塊的方案進行對比，部分實驗結果的風道通風面積-阻力系數關系如圖4～圖7所示。

圖4中方案1的風道通風面積為49.7cm2，方案2的風道通風面積為90.86 cm2，由對比結果可知風道通風面積越大，阻力系數越小，而圖5～圖7中實驗結果亦符合該規律，這可以用式（3）、式（4）解釋，局部壓力損失和沿程壓力損失，均與風道截面面積的平方成反比，風道面積越大，阻力系數越小。

3.2.2 風道數對風道阻力系數的影響

方案2與方案5在風道面積相同的情況下，前者阻力系數明顯小于后者，排除面積、風道長度及摩擦力的影響，得出產生差異的原因是風道數量。由公式（1）可知當量直徑D越小，沿程壓力損失越大，而在風道面積相同的情況下，風道數目越多，當量直徑越小，導致方案5的阻力系數明顯大于方案2的阻力系數，如圖8所示。

圖4 方案1與方案2

圖5 方案3與方案5

圖6 方案4與方案7

圖7 方案8與方案10

圖8 方案2與方案5

3.2.3 模塊長度對風道阻力系數的影響

對比方案2與方案8、方案3與方案4，模塊長度與阻力系數的關系如圖9、圖10所示。

圖9 方案2與方案8

圖10 方案3與方案4

兩組實驗結果符合模塊長度越長，風道阻力系數越大的規律。根據式（1），以方案2與方案8為例，如圖2中模塊分布圖所示，方案2的L1段和方案8的L3段因風道截面完全相同因而此部分壓力損失相同，但方案2的L2段風道通風面積小于方案8的L4段風道通風面積，最終導致方案2的阻力系數大于方案8的阻力系數，因此模塊長度對風道阻力系數的影響實質上是風道面積對阻力系數的影響。

3.2.4 楔形塊對風道阻力系數的影響

在流體力學中為了減小迎風面帶來的局部阻力損失通常采用一些特殊形狀的設計，如水滴形、流線形[10]，實驗中方案6、9、11安裝了不同高度（等腰三角形頂點距底邊的高）的楔形塊以研究楔形塊對風道阻力系數的影響。對比方案9與方案10，結果如圖11所示，因為方案9中L6段的風道通風面積較方案10相同位置的風道通風面積小，其他位置風道面積相同，則因為風道通風面積引起的壓力損失方案9應大于方案10，但實驗結果顯示方案9的阻力系數小于方案10，說明楔形塊的引入減小了局部壓力損失系數ε。再對比方案6、7、11，結果如圖12所示。其中方案6安裝了高96.1mm的楔形塊，方案11安裝了高36 mm的楔形塊，實驗結果表明阻力系數方案6最大，方案7次之，方案11最小，表明過高楔形塊的引入反而會增大系統的阻力系數。這是因為楔形塊引入減小局部壓力損失的同時也減小了風道面積，而相應會導致系統沿程壓力損失的增加，最終系統的壓力損失是兩者共同作用的結果。

圖11 方案9、10

圖12 方案6、7、11

4 結束語

本文利用搭建的測試系統研究了風道系統中各因素對系統阻力系數的影響。借助該測試系統可實現機箱阻力特性的快速測量，即使設計參數發生變化，完成設計也非常方便。如將機箱內某個結構改變，可以利用該系統快速測試分析出結果，觀察到結構改變造成的系統阻力變化。相比繁瑣的理論計算和理論知識要求較高的仿真模擬，有助于設計人員便捷的完成熱設計工作。

[1]盧錫銘．電子設備熱仿真熱測試技術研究[J]．船舶電子對抗，2013，36（3）:118-120.

[2]李業，周水清，王軍，等．轉速對彎掠軸流風機氣動噪聲的影響分析[J]．工程熱物理學報，2014，35（1）：51-55.

[3]張忠海．電子設備中高功率器件的強迫風冷散熱設計[J]．電子機械工程，2005，21（3）：18-21.

[4]DAVE S S．電子設備冷卻技術[M]．2版．李明鎖，丁其伯，譯.北京：航空工業出版社，2012：122-127.

[5]嚴雅婧，孟晶悅，張龍．大型礦用挖掘機風道壓力損失的計算[J]．機械管理開發，2014，138（2）：59-61.

[6]王有鋒，姜武，張輝，等．電廠煙風道異型件阻力系數的數值計算方法[J]．電力科學與工程，2006（3）：47-49.

[7]楊世銘，陶文銓．傳熱學[M]．3版．北京：高等教育出版社，1998：424.

[8]陳杰瑢，李尊朝，程剛．風道壓力損失與分支風道壓力平衡計算的程序設計[J]．西北紡織工學院學報，1995，9（1）：28-30.

[9]鄧彩華，童亮，陳壁峰，等．多孔介質流動的直接數值模擬[J]．武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2011，35（6）：1257-1260.

[10]王奉明，張靖周，王鎖芳．擾流柱形狀對流動換熱特性影響的數值研究[J]．南京師范大學學報（工程技術版），2005，5（2）：7-30.

（編輯：李妮）

The study on testing technology of wind tunnel property based on forced air cooling

ZHANG Qingjun，LI Lidan，HE Zhao
（Sichuan Jiuzhou Electric Group Co.，Ltd.，Mianyang 621000，China）

Improper fan will lead to high-temperature failure and irreversible damage of electronic devices in forced air cooling，and the type of fan is directly determined by the resistance characteristics of the system，therefore the calculation of resistance characteristics curve becomes a crucial step in the design of forced air cooling.In order to get the resistance characteristic curve of the electronic device accurately，easily and quickly，a system based on the testing theory of wind tunnel characteristic has been built in this paper.By measuring the volume of air flow through the system with the corresponding pressure loss can help us to obtain the curve of the device which can be used to select the appropriate fan.The paper also measured the resistance characteristics of various chassis by using this testing system and made analysis on the factors which have effect on the curve combine with the theoretical.In the end，the thesis makes a summary of the relationship between the factors and the drag coefficient which can provide the reference information for structure designers in duct design of forced air cooling.

fluid dynamics；resistance characteristics；wind tunnel；air forced cooling

A

：1674-5124（2017）01-0140-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.029

2016-06-10；

：2016-08-02

張慶軍（1973-），男，四川綿陽市人，高級工程師，碩士，主要從事電子設備結構設計。