基于Flotherm分析的某插箱熱設(shè)計(jì)研究

梅 宇

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

傳統(tǒng)熱力學(xué)計(jì)算復(fù)雜、耗時長，通過熱仿真技術(shù)可以極大地提高效率，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低成本。本文采用Flotherm對某插箱設(shè)備的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行熱仿真，驗(yàn)證散熱風(fēng)扇選型的正確性，為類似設(shè)備的熱設(shè)計(jì)提供借鑒依據(jù)。

1 Flotherm軟件介紹

Flotherm軟件是由英國Flomerics公司開發(fā)的專門針對電子散熱領(lǐng)域的計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)仿真軟件。其可提供全面的散熱仿真分析能力，如傳導(dǎo)分析、流場分析、瞬態(tài)分析、輻射分析等，能夠解決環(huán)境級、系統(tǒng)級、印制板級、元器件級的熱分析問題[2]。用戶根據(jù)需要去解決實(shí)際工程應(yīng)用問題，能夠預(yù)先估計(jì)元器件的工作溫度，使熱設(shè)計(jì)最優(yōu)化，提高產(chǎn)品的可靠性。其求解器不僅應(yīng)用了數(shù)值計(jì)算方法，而且結(jié)合了大量的電子散熱開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]，使求解迅速準(zhǔn)確。另外Flotherm還提供專門應(yīng)用于電子設(shè)備熱分析的參數(shù)化模型創(chuàng)建技術(shù)，提供電子設(shè)備參數(shù)化三維建模，能夠迅速、準(zhǔn)確地建模，縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，以及先進(jìn)動態(tài)的可視化后處理技術(shù)，為設(shè)計(jì)人員提供智能自動化設(shè)計(jì)工具，在后處理模塊中提供溫度梯度、傳熱瓶頸和傳熱捷徑等結(jié)果參數(shù)，幫助設(shè)計(jì)人員快速確定散熱缺陷和改進(jìn)方案。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 問題描述

某電子設(shè)備插箱的工作溫度范圍為-10 ℃至 55 ℃，最高允許溫升為10 ℃。整機(jī)發(fā)熱功耗為106.5 W，插箱的尺寸為440 mm×480 mm×88 mm(寬×深×高)。機(jī)箱材料為鋁LY12，設(shè)備共6個槽位，其中槽位5為主控轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)板可插拔，槽位6為電源位不可插拔，固定在機(jī)箱的底板上，其余槽位的板卡可插拔并能夠互換。總線背板位于插箱中部，將設(shè)備分為前后2個部分，后部用于業(yè)務(wù)板安裝，前部用于存儲、錄像單元、PC主板和信號轉(zhuǎn)接板的安裝，機(jī)箱風(fēng)道為“左進(jìn)右出”，如圖1所示。

1-高清編碼業(yè)務(wù)板；2-高清解碼業(yè)務(wù)板；3-中控業(yè)務(wù)板；4-標(biāo)清業(yè)務(wù)板；5-電源；6-主控轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)板；7-NVR；8-2.5寸硬盤(2T)；9-PC主板；10-信號轉(zhuǎn)接板；11-總線背板；12-風(fēng)扇8025；13-風(fēng)扇8010圖1 某插箱結(jié)構(gòu)模型

插箱內(nèi)設(shè)備的散熱功耗參數(shù)如表1所示。

表1 某插箱業(yè)務(wù)板功耗參數(shù)

2.2 散熱風(fēng)扇選型計(jì)算[4]

考慮到設(shè)備的整體布局及散熱器件的功耗分布，擬采用總線背板前后分別布置一個散熱風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)扇散熱。插箱的最高工作環(huán)境溫度為55 ℃，內(nèi)部設(shè)計(jì)在65 ℃條件下連續(xù)工作10 h，整機(jī)功耗為106.5 W，風(fēng)扇選型計(jì)算如下：

Qe=Qv-Qs

(1)

Qs=KAΔT

(2)

式中：Qe為風(fēng)扇所需的散熱功率；Qv=106.5 W，為設(shè)備內(nèi)熱耗；Qs為設(shè)備外殼與外界熱交換功率；K=2.5 W/m2·℃,為導(dǎo)熱系數(shù)；A=0.41 m2,為有效插箱表面積。

根據(jù)德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 0660.500部分，計(jì)算有效插箱表面積：

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

A=1.8BH+1.4BT+TH

(3)

式中：B為寬；T為深；H為高；ΔT為10 ℃ 設(shè)備溫升。

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

綜上計(jì)算得：Qe=96.25 W。

計(jì)算風(fēng)扇所需體積流量：

Qe=QρCpΔT

(4)

Q=Qe/ρCpΔT

(5)

式中：Qe=96.25 W，為風(fēng)扇所需的散熱功率;ρ=1.013 kg/m3，為空氣密度；Cp=1.005×103J/(kg·℃)，為空氣比熱容；ΔT=10 ℃，為設(shè)備溫升。

由式(5)可得：Q=20×0.57 m3/min。

插箱被總線背板分為前后兩部分，并且前部熱功耗(65.5 W)較后部(41 W)大；其次，設(shè)備應(yīng)用在多種工況下，散熱復(fù)雜，需要采取冗余設(shè)計(jì)，提高設(shè)備可靠性。散熱風(fēng)扇參數(shù)如表2所示。

表2 散熱風(fēng)扇參數(shù)

2.3 溫度場模擬及分析

利用Flotherm進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析，前提是獲取相應(yīng)的物理參數(shù)，例如模型外形尺寸、關(guān)鍵器件尺寸、熱耗分布以及材料屬性等。其分析過程一般分為5個步驟：模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件、求解、后處理[5]。根據(jù)前述問題描述，對某插箱邊界條件做如下說明：環(huán)境溫度為55 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，氣流狀態(tài)為紊流，箱體導(dǎo)熱系數(shù)為2.5 W/m2·℃，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱無需擴(kuò)大求解域，系統(tǒng)求解的迭代次數(shù)為345次，溫度監(jiān)控點(diǎn)1為風(fēng)扇8010出風(fēng)口溫度，溫度監(jiān)控點(diǎn)2為風(fēng)扇8025出風(fēng)口溫度，溫度監(jiān)控點(diǎn)3為進(jìn)風(fēng)口溫度，進(jìn)、出風(fēng)口溫差即為設(shè)備溫差。有限元模型如圖2所示。

圖2 插箱有限元模型

可視化后處理收斂曲線及溫度監(jiān)控點(diǎn)溫度曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 收斂曲線圖

圖4 監(jiān)控點(diǎn)溫度曲線

由圖4可知，待設(shè)備內(nèi)部達(dá)到溫度平衡后溫度監(jiān)控點(diǎn)1、2(即出風(fēng)口)溫度相當(dāng)，大約為59 ℃，符合問題描述中的要求。

如圖5所示的溫度分布云圖及流跡曲線，插箱在55 ℃環(huán)境下，溫度最高的元器件為總線背板的交換模塊84.1 ℃，即所有的器件均在主芯片允許的最高溫度范圍內(nèi)。

3 對標(biāo)試驗(yàn)與驗(yàn)證

按照GJB367 A-2001(軍用通信設(shè)備通用規(guī)范)對該插箱進(jìn)行高溫環(huán)境試驗(yàn)(+55 ℃)，并用溫度傳感器檢測出風(fēng)口處的溫度，待環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)溫度穩(wěn)定后，插箱設(shè)備開機(jī)運(yùn)行，2 h后記錄出風(fēng)口的溫度。結(jié)果顯示設(shè)備該項(xiàng)性能完好，出風(fēng)口溫度為68 ℃，證明該插箱設(shè)備熱設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)束語

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期，利用CFD軟件Flotherm可以方便快速地模擬設(shè)備內(nèi)部溫度場及阻力特性。不僅能輔助確定設(shè)計(jì)方案，而且可以及時發(fā)現(xiàn)方案中所存在的問題，便于熱設(shè)計(jì)工作者對方案進(jìn)行某些調(diào)整；在提升設(shè)備品質(zhì)性能的同時，縮短了整個設(shè)備的研發(fā)周期，為設(shè)備最終進(jìn)入市場奠定了良好的基礎(chǔ)。

本文從具體的工程實(shí)例出發(fā)，闡述了強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱風(fēng)扇的選型理論計(jì)算，然后從仿真分析的角度進(jìn)行仿真，最后通過對標(biāo)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，證明方法的可行性及正確性，為今后類似設(shè)備的熱設(shè)計(jì)提供了借鑒依據(jù)。