機載電子散熱設備氣流分布均勻性研究

范濤峰 任童 彭孝天 馮詩愚

摘要：長流程的散熱設備經常會出現流量分配不均勻的問題，導致散熱設備各處的冷卻效果產生較大差異。利用計算流體力學（CFD）對一個采用孔板送風的機載電子散熱設備進行了模擬，分析了不同孔徑、開孔數及流量對出口均勻度的影響。結果顯示開孔數對均勻度的影響大于孔徑，流量改變對均勻度影響不大。對長流程孔板形式出口的散熱設備設計具有一定的指導作用。

關鍵詞：機載電子設備；均勻度；孔板；數值模擬

中圖分類號：V221文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.08.007

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金；江蘇高校優勢學科建設工程

隨著民用飛行技術的發展，機載電子設備的數量和種類不斷增加。高溫失效是機載電子設備的主要失效形式，試驗表明在70～80℃的水平上，溫度每上升1°C，器件可靠性下降5%[1-2]。機載電子設備的發展出現小型化、高性能的發展趨勢，電子設備對于散熱的要求越來越高，常見的有液冷、風冷和蒸發循環等幾種方式，其中蒸發循環大多用于對雷達等高能耗設備散熱，目前使用并不普遍[3-4]。

受工作環境限制，液體冷卻通常需配備復雜系統，且飛機加速度及傾斜角度改變均會影響穩定性[5]，因此并未得到廣泛應用。風冷仍是機載電子設備使用最多的散熱方式，其可分為自然對流和強迫對流兩種，后者更為常用。隨著電子設備熱負荷進一步增加，可根據電子設備實際外形設計散熱設備提高裝置散熱性能[6]。

通過試驗方法來測試不同出口形式的散熱設備的性能雖然直觀可靠，但也會帶來周期長、成本高的問題，在試驗前使用計算流體力學（CFD）技術可克服上述不足。利用CFD方法對機載電子設備散熱的研究很多，劉曉紅等利用CFD技術分析了導冷板厚度對于密閉機箱散熱性能的影響[7]；趙亮等研究了一種應用泡沫金屬新材料的換熱器[8]；李艷娜分析了散熱器分布位置的不同對散熱性能的影響[9]。這些研究涵蓋了散熱器結構、位置和材料，但長流程散熱設備經常會出現流量分布不均勻的問題，這會導致散熱設備各處的冷卻效果產生較大差異[10]。

此外，上述研究未涉及氣流分布均勻程度對散熱效果的影響。朱恒義等利用CFD技術分析了密閉機箱不同位置風道的流量[11]，并結合流量分配了合理的熱負荷；劉巍等研究了不同通風口形狀對散熱性能的影響，這兩者的研究對象均為風道，未考慮出口形式為孔板這種情況[12]。

本文對一個采用孔板出風口的民用飛機機載電子設施散熱設備進行了CFD仿真，定義了一個均勻度參數，模擬了不同開孔數目、孔徑、進口流量下各個出口流量分布的均勻性。

1物理模型介紹與簡化

研究對象為位于某民用飛機前部與中部設備艙內的EE艙設備架，主要電子設備安裝在設備架上，設備架內的通風系統對安裝在設備架上的電子設備進行通風冷卻，共有6個冷卻單元。設備鼓風路徑如圖1所示，設備架風冷系統分為鼓風系統和排風系統兩部分。每個設備架有一個鼓風接口，鼓風接口與電子設備通風系統的鼓風管道相連，冷卻空氣通過設備架鼓風接頭進入設備架側部的風腔，再由風腔進入設備架每一層的鼓風風道，再流過流量調節孔板冷卻電子設備。冷卻后的熱空氣通過設備頂部散熱孔進入排風風道，由排風管道流出。整個設備的計算量太大，本文選取圖2紅色框內的鼓風機進口單元為研究對象。

氣流從左側的矩形入口流入，經過空腔由三個多孔板流出。簡化主要包括了以下三個部分的內容。

（1）鼓風機進口的簡化

由圖1可見，鼓風機進口橫截面為圓形，實際工作中空氣從鼓風機進口流入，經矩形通道轉彎由多孔板流出，所以進口形狀對于多孔板的氣流分配的影響不大。通常劃分網格時需利用多邊形擬合幾何模型，若將進口設置為圓形會增加網格數目，降低計算效率，故簡化為矩形進口。

（2）通風路徑的簡化

為了縮短計算時間，未考慮上部熱空氣流動，僅考慮冷空氣在多孔板的分布，省略了對計算影響不大的結構。腔體壁度為2mm，與實際設備保持一致。

（3）多孔板的簡化

由于多孔板的孔的數目較多，且排列有序，樣式統一。若一個個畫出會增加網格數目。可將多孔板設置為多孔介質，利用FLUENT中的多孔介質模型解決。

2計算方法與仿真模型的建立

多孔模型的原理為將固體區域以阻力形式添加在流動方程中，相當于在流動方程中增加一個源項[13]。流動阻力主要由黏性阻力和慣性阻力兩部分組成，阻力由孔徑、開孔數、開孔率這三個因素確定。慣性阻力系數、黏性阻力系數與孔隙率、開孔直徑的關系由以下兩個公式給出：

選擇50萬、100萬和200萬三套網格計算，觀察不同網格數下氣體流速。在孔徑為2.5mm、開孔數為9的情況下，網格數目為50萬時，流體域內的最大流速為71m/s，網格數目為100萬時，流體域內的最大流速為70.8m/s，與網格數目為200萬保持一致。考慮到計算的準確性與計算效率，選擇100萬的網格進行計算。

3計算結果分析

3.1孔徑的影響

圖4為開孔數為9個，三組孔徑分別為2.5mm、5mm和7.5mm時的氣流速度分布云圖。從圖中可見，孔徑為2.5mm時，流體域內流動的最大速度為73.6m/s，出口流速隨著離進口距離的增加而降低。隨著孔徑的進一步擴大，流動的最大速度沒有明顯變化。

把離進口最近的孔板出口命名為出口一，把離近口最遠的孔板出口命名為出口三，如圖3所示。從圖5可以看出，出口三的均勻程度受孔徑變化的影響最大，出口一的均勻程度受孔板的影響最小，出口二的均勻度在1附近波動。當孔徑為5mm時，三個出口的均勻度最接近1，孔板流量分配最均勻。當出口孔徑較大，氣體大量從出口一流出，則后部流出的流體較少，影響了整體均勻度。當出口孔徑較小時，流體無法及時從離進口較近的出口流出，積壓在后部出口，也影響了整體均勻度。

3.2孔數的影響

在孔徑為2.5mm時，設置三組。圖6為孔徑為2.5mm時，開孔數目分別為12、16和25個時氣流速度分布云圖。從圖中可見，在開孔數目為12個時，氣流最大速度為69.6m/s，出口流速離進口距離增加而降低，且變化較為劇烈。從圖7可看出，開孔數目的變化對三個出口均勻度的影響要大于開孔孔徑對均勻程度的影響。這是因為開孔數目相比孔徑對于有效出口面積的影響更大。此外還可以發現，孔數為12個時的均勻程度最差，孔數為16個時，出口一、出口三的均勻程度接近孔數為12個時，但出口二的均勻程度有所上升。孔數為25個時，出口二的均勻程度較好，但出口一、出口三的均勻度有所偏移。顯然，孔數為16和25個時均勻度相近，均優于孔數為12個。

3.3流量的影響

圖8給出了孔徑2.5mm、開孔數為25的條件下，進口流速分別為30m/s、50m/s和70m/s時的氣流速度分布云圖。從圖9可以看出，相較于孔數以及孔徑，流速對于三個出口均勻度的變化并不明顯。進口流速為30m/s時，三個出口的均勻度最接近1，其余流速下均勻度沒有明顯差異。

4結論

長流程的機載電子散熱設備各個出口的均勻程度對其冷卻性能有重要影響，為了提高出口的均勻程度，本文通過CFD方法對一個孔板出口的機載電子散熱設備進行了模擬，討論了不同開孔數目、不同開孔半徑下的均勻度，可以得到以下結論：

（1）開孔數目改變對于氣流均勻度影響最大，進口流速對于氣流均勻程度的影響最小。

（2）開孔數目會影響氣流出口的均勻程度。孔徑2.5mm時，開孔數目為16的出口均勻度最接近1。

（3）孔徑與均勻度同樣不是線性關系。開孔數目為9時，孔徑5mm時出口均勻度最接近1。

參考文獻

[1]張婭妮，陳菲爾，田灃.機載電子設備冷卻散熱技術的發展[J].航空計算技術，2012，42（4）：113-116. Zhang Yani， Chen Feier， Tian Yan. Development of cooling and cooling technology for airborne electronic equipment [J]. Aviation Computing Technology， 2012， 42 （4）： 113-116.（in Chinese）

[2]諸葛卉.軍用直升機航空電子系統現狀及發展展望[J].航空科學技術，2006，17（5）：25-28. Zhu Gehui. Status and expectation on aviation electronic system of military helicopter[J]. Aeronautical Science & Technology， 2006， 17（5）：25-28.（in Chinese）

[3]殷超，羅志會.美國遠程轟炸機環境控制系統的設計要求分析[J].航空科學技術，2019，30（8）：1-6. Yin Chao， Luo Zhihui. Design requirements analysis of america bomber environmental control system[J]. Aeronautical Science & Technology，2019，30（8）：1-6.（in Chinese）

[4]周月，張鶴林.電環控系統優化仿真分析[J].航空科學技術，2019，28（6）：56-61. Zhou Yue， Zhang Helin. Optimization and simulation analysis of electric environmental control system [J]. Aeronautical Science & Technology， 2019， 28（6）： 56-61.（in Chinese）

[5]呂永超，楊雙根.電子設備熱分析、熱設計及熱測試技術綜述及最新進展[J].電子機械工程，2007，23 （1）：8-13. Lyu Yongchao， Yang Shuanggen. Review and latest progress of thermalanalysis，thermaldesignandthermaltesting technology for electronic equipment [J]. Electromechanical Engineering， 2007， 23 （1）： 8-13.（in Chinese）

[6]Bergles A E. Evolution of cooling technology for electrical，electronic，andmicroelectronicequipment[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2003，26（1）：6-15.

[7]劉曉紅.某機載雷達密閉式機箱的熱設計[J].電子機械工程， 2016，32（6）：14-17. Liu Xiaohong. Thermal design of a closed enclosure for an airborne radar [J]. Electromechanical Engineering， 2016， 32（6）： 14-17.（in Chinese）

[8]趙亮，田灃，楊明明，等.機載電子設備泡沫金屬換熱器研究[J].機械研究與應用，2016，29（1）：48-49. Zhao Liang， Tian Yan， Yang Mingming， et al. Research on foam metal heat exchanger for airborne electronic equipment[J]. Mechanical Research and Application， 2016， 29 （1）： 48-49.（in Chinese）

[9]李艷娜.特種飛機電子設備蒙皮散熱技術仿真設計研究[D].北京：北京航空航天大學，2014. Li Yanna. Simulation design of skin cooling technology for special aircraft electronics [D]. Beijing： Beihang University，2014.（in Chinese）

[10]Bo Chen. Thermal design，analysis and experimental verification of a satellite borne electronic equipment[J]. Advanced Materials Research，2013，07（23）：84-87.

[11]朱恒義，關學剛.某機載密封風冷機箱散熱設計[J].艦船電子對抗， 2019， 42（2）：116-118. Zhu Hengyi， Guan Xuegang. Heat dissipation design of an airbornesealedair-cooledchassis[J].ShipElectronic Countermeasures， 2019， 42 （2）： 116-118.（in Chinese）

[12]劉巍，張先鋒，關宏山.雷達電子設備通風口結構對風機性能的影響[J].電子機械工程，2015，31（4）：9-11. Liu Wei， Zhang Xianfeng， Guan Hongshan. Effect of intake structure of radar electronic equipment on fan performance[J]. Electromechanical Engineering，2015，31（4）：9-11.（in Chinese）

[13]李明東.利用CFD數值仿真技術確定電子設備風道特性[J].安全與電磁兼容，2002（3）：16-18. Li Mingdong.Using CFD numerical simulation technology to determine the air duct characteristics of electronic equipment[J].Safety and Electromagnetic Compatibility， 2002 （3）： 16-18.（in Chinese）

[14]Masaru I，Tomoyuki H，Risako K. A thermal design approach for natural air cooled electronic equipment casings[C]// 2013 8th International Microsystems，Packaging，Assembly and Circuits Technology Conference（IMPACT）. Taipei：IEEE，2013：325-338.（責任編輯陳東曉）

作者簡介

范濤峰（1980-）男，碩士，助理研究員。主要研究方向：飛行器環境控制、流體力學、傳熱與傳質等方面的試驗研究。Tel：025-84892153

E-mail：fantaofeng@nuaa.edu.cn

馮詩愚（19740-）男，博士，副教授。主要研究方向：飛行器環境控制、飛行器燃油系統、傳熱與傳質等方面的理論與試驗研究。

Tel：025-84892105

E-mail：shiyuf@nuaa.edu.cn

Study on Air Distribution Uniformity of Airborne Electronic Cooling Equipment

Fan Taofeng*，Ren Tong，Peng Xiaotian，Feng Shiyu

Key Laboratory of Aircraft Environmental Control and Life Support Industry and Information Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Abstract： Non-uniform flow distribution often occurs in long-flow cooling equipment， which causes large differences in the cooling effect of cooling equipment. A computational fluid dynamics （CFD） simulation was performed on an airborne electronic heat dissipation device using orifice air supply， and the effects of different apertures， opening numbers， and flow rates on outlet uniformity were analyzed. The results show that the number of openings has a greater effect on the uniformity than the diameter of the holes， and the change in flow rate has little effect on the uniformity. It has a certain guiding role in the design of the heat dissipation equipment of the long-flow orifice plate outlet.

Key Words： airborne electronic equipment； uniformity； orifice plate； numerical simulation