基于FloEFD的某機載液冷機架流阻研究

白宗旭 張銅 潘威

摘 ?要：在機載液冷設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中，機架流阻特性對載機環(huán)控系統(tǒng)流量分配至關(guān)重要。文章以仿真與試驗相結(jié)合的方法，對某機載液冷機架進行了流阻特性分析研究。對比分析了液冷機架流阻仿真結(jié)果與測試結(jié)果，二者偏差較小，驗證了機架流阻模型及方法的可靠性;其次，在同一冷卻介質(zhì)的前提下，對比分析了影響液冷機架流阻的兩個重要因素——流量及溫度。文章中結(jié)果可為載機環(huán)控系統(tǒng)流阻預(yù)分配提供重要依據(jù)，同時可作為液冷機架設(shè)計及流阻測試的重要參考，提高設(shè)計效率，節(jié)約試驗資源。

關(guān)鍵詞：液冷;流阻;有限元分析;FloEFD

中圖分類號：V245.3+43 ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）15-0007-03

Abstract： In the structural design of liquid cooling in airbome equipment， the flow resistance characteristics of the rack are very important to the flow distribution of the airplane. In this paper， the flow resistance characteristics of an airborne liquid cooling rack are analyzed by simulation and experiment. The simulation results of the flow resistance of the liquid cooling rack are compared and analyzed， and the deviation between the two is small which proves the reliability of the model and method of the flow resistance. Secondly， under the premise of the same cooling medium， detailed analysis of two important factors of Flow Resistance of Liquid-cooling Rack， which includes includs the flow rate and the temperature of cooling medium. The results of this paper can provide reference for the flow pre-distribution of the aircraft environmental control system. It can also be used as an important reference for the design of liquid cooling rack and flow resistance test， which greatly improves the design efficiency and saves the test resources.

Keywords： liquid cooling; flow resistance; finite element analysis; FloEFD

引言

隨著電子設(shè)備的不斷向微小型化發(fā)展，元器件的熱流密度也越來越高，液冷機架由于具有集成度高、散熱能力大，模塊標準化等優(yōu)點，已成為機載液冷散熱系統(tǒng)的重要組成部分。液冷機架的流阻特性是機架結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要技術(shù)指標之一，在設(shè)計上必須保證其流阻與載機環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計的流阻分配值相匹配[1]。如果機架流阻過大，將導(dǎo)致通過機架的冷卻液達不到設(shè)計值，最終可能導(dǎo)致電子設(shè)備的過熱失效。

目前，介紹載機環(huán)控系統(tǒng)、流量分配計算理論、液冷介質(zhì)熱性能及液冷技術(shù)進展的文獻較多[2-4]，主要側(cè)重于電子設(shè)備液冷技術(shù)理論、進展及趨勢的研究，但針對機載電子產(chǎn)品設(shè)計中機架流阻設(shè)計方法的研究較少。為了研究液冷機架在不同流量、溫度等條件下的流阻特性，本文設(shè)計機架的液冷流道結(jié)構(gòu)，通過仿真計算，獲得了機架在不同流量和溫度條件下的流阻，進而對機架流阻進行了試驗測試，對設(shè)計仿真結(jié)果進行了驗證，對后期液冷機架設(shè)計及預(yù)估具有借鑒意義。

1 機架流道設(shè)計及試驗方法

1.1 機架液冷流道設(shè)計

某機載液冷機架如圖1所示，設(shè)計最大冷卻液流量為7L/min，最大供液壓力為0.6MPa，要求冷卻液溫度為20℃時設(shè)備流阻不大于240kPa。

液冷機架內(nèi)模塊分上、下兩層安裝，為滿足模塊散熱需求，整個機架采用強迫液冷的散熱方式帶走模塊產(chǎn)生的熱量。機架采用整體焊接結(jié)構(gòu)，由側(cè)面的分流板及上、中、下三塊冷板組成，液冷入口與出口安裝在機架右側(cè)分流板上（圖2）。

經(jīng)過流道優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)保證在給定供液流量下，三層冷板的流速、壓力基本一致，在滿足換熱需求的前提下，盡可能降低流道的流阻。

1.2 冷卻液選擇

冷卻液采用65#冷卻液[5]，入口的溫度如表1所示，由于只分析機架的流動特性，因此忽略機架實際工作中冷卻液出口溫升對流阻的影響。65#冷卻液的物理參數(shù)會隨溫度變化而變化，根據(jù)對特定溫度下的參數(shù)擬合了冷卻液性能變化曲線[6]，由此獲得在不同溫度下的物性參數(shù)如表1所示。

1.3 流阻測試試驗方法

為了達到試驗臺精確控溫目的，通過加熱溫控系統(tǒng)對65#冷卻液加熱，對于低溫測試環(huán)境，通過制冷機組冷卻循環(huán)內(nèi)介質(zhì)，達到低溫試驗的溫度要求。流阻特性試驗臺上設(shè)置了多個溫度點和壓力點，準確采集設(shè)備的端口溫度和壓力，通過高精度的液體流量計采集液體流量。試驗方法如圖3所示，通過可調(diào)溫液冷源及傳感器控制進入機架的冷卻液溫度及流量。

調(diào)節(jié)流量范圍3.5L/min～14.5L/min，設(shè)備入口溫度按-25℃，0℃，20℃三個溫度點，在試驗流量范圍內(nèi)，每一溫度條件下取5個穩(wěn)定的工作測量點。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 流量分配分析

流量分配分析是通過優(yōu)化流道的形狀與尺寸，使進入機架中各層冷板的冷卻液流量基本相等，以達到機架整體最佳的散熱效果。通過流道的速度跡線圖可以直觀的看出各層冷板之間的速度差異，如圖4所示，各層冷板的速度分布均勻。仿真結(jié)果顯示，在供液流量為3.6L/min時，經(jīng)過流道優(yōu)化設(shè)計后，冷板上、中、下三層流量分別為1.13L/min，1.19L/min，1.19L/min，冷板之間的最大流量偏差僅為5%，機架內(nèi)冷板之間流量分配基本一致。

由于機架為焊接結(jié)構(gòu)，內(nèi)部流道復(fù)雜，無法在試驗中直接測試通過各層冷板的流量。因此，對于機架內(nèi)的流量分配及優(yōu)化，只能在設(shè)計中根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化風(fēng)流板及冷板結(jié)構(gòu)，使各流道的流阻接近一致，同時滿足機架的總流阻要求。

2.2 流阻對比分析

機架流阻為冷卻液通過機架前后的壓力損失，機架的流阻由機架冷板本身流阻（△P1）及快卸自封接頭流阻（△P2）兩部分組成，在仿真模型中，僅考慮了機架本身的流阻。

實際測試時流阻包含出、入兩個快卸自封接頭流阻，壓力測試點的安裝位置距機架自封接頭進、出口會有一定距離，且受加工及裝配工藝限制，這些因素造成實測機架流阻將略大于計算值，即仿真數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果之間的差值。其中，快卸自封接頭的流阻是仿真和測試結(jié)果差值的主要原因。但由于快卸自封接頭的流阻隨溫度變化比機架流阻變化較小，因此隨著溫度下降，快卸自封接頭的流阻在總流阻的占比逐漸下降。

仿真與測試結(jié)果顯示，當(dāng)環(huán)境溫度T=20℃時，12.2L/min時的流阻為110.2kPa，但在環(huán)境溫度T=-25℃時，相同流量下的流阻約為336.7kPa，達到前者流阻的三倍左右。即隨著冷卻液溫度下降，機架流阻急劇增加。分析可知，其原因為冷卻液動力粘度隨溫度降低劇增，造成機架內(nèi)局部阻力損失和沿程阻力損失的增大。因此，在低溫供液條件下工作的機架，其成倍增加的流阻對載機環(huán)控系統(tǒng)的供液壓力要求更高。

仿真及試驗結(jié)果可知，65#冷卻液在低溫條件下會造成系統(tǒng)流阻急劇增大，由此可能造成系統(tǒng)供液不足及散熱問題。因此，合理選用液冷機架的冷卻介質(zhì)類型、快卸自封接頭類型、優(yōu)化機架流道設(shè)計等對降低機架流阻至關(guān)重要。從而改善機架的整體散熱能力，同時降低載機環(huán)控系統(tǒng)的供液負荷，該結(jié)果可作為液冷機架類結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參考。

3 結(jié)束語

本文以某機載液冷機架為研究對象，利用FloEFD軟件進行典型機架流阻仿真以及試驗驗證的全過程，驗證了FloEFD在液冷設(shè)計中的重要性。在設(shè)計階段優(yōu)化機架的流量分配、優(yōu)化流阻，進而可以提高設(shè)計效率，節(jié)約設(shè)計及試驗資源。

此外，本文針對電子產(chǎn)品中典型液冷機架的流阻設(shè)計的方法和結(jié)果，對同類液冷機架結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的參考價值。

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