基于FlowMaster仿真的變頻器水冷管路優化設計

蔡 煜，姚國富，張 波

應用研究

基于FlowMaster仿真的變頻器水冷管路優化設計

蔡 煜，姚國富，張 波

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文介紹變頻器冷卻系統水冷管路優化設計。通過優化變頻器水冷管路的管件材料、直徑、長度以及支管路串并聯方式等降低變頻器水冷管路進出口壓差，從而降低變頻器水冷管路流阻，確保變頻器在水冷系統中獲取足夠冷卻水流量。

水冷管路 FlowMasterV7 參數 優化

0 引言

隨著電子設備的功能越來越復雜、性能越來越強勁，其熱功率密度也隨之呈現出越來越大的趨勢，原有的強迫風冷逐漸被水冷所取代。高效的水冷系統需要低流阻的水冷管路，否則，會降低整個系統的冷卻效率，提高系統對水泵的參數要求，如功率、揚程、振動噪聲等。因此，為了提高變頻器水冷系統的性能與效率，需要利用專業的仿真軟件對水冷管路進行流阻優化設計。

1 優化參數

根據水冷管路的流阻計算公式：=Δ/可知，影響流阻的主要因素是Δ（管路進出口壓強差，又稱壓降）與（流速），壓降ΔP主要由沿程阻力損失h和局部損失h構成。其中，沿程阻力損失的計算公式為：h=λ（l/）（2/2），局部阻力損失的計算公式為：h=ζ（2/2）。由上述公式可知，壓降Δ受沿程損失系數λ、局部損失系數、管路長度、管路直徑等參數影響。另外，在復雜的水冷管路中，總流阻還受各支路串并聯關系的影響。因此，在水冷管路中流速不變的條件下，通過對水冷管路管件材料、管件長度、管件直徑、變截面管件類型和數量、支管路之間的連接形式等參數進行優化調整，對現有型號的變頻器水冷管路進行流阻仿真計算，并對仿真計算結果進行對比分析。

2 仿真模型

變頻器水冷管路由功率模塊支路、電抗器支路、換熱器支路、預充電支路、制動電阻支路等支路與主回路構成。主回路管材選用316L不銹鋼，管徑DN50；支路管材選用PU軟管，管徑DN10；換熱器支路與制動電阻支路之間采用串聯的方式連接。水冷管路三維模型如圖1所示。

圖1 優化前管路三維模型

為了有效降低變頻器水冷管路流阻，我們針對以下內容進行了優化設計：

1）將各支路PU軟管改為純銅管；

2）將各支路管件管徑由DN8改為DN10；

3）將換熱器支路與制動電阻支路之間采用串聯改為并聯。

圖2 優化后管路三維模型

3 仿真計算

為了獲得有效的仿真計算結果，在將三維模型簡化為一維模型時，盡量使模型中相關接近實際的使用情況，對包括管件長度、材料特性、接頭參數、彎頭數量與參數進行合理地設置。此外，我們選用在船舶行業常用的格蘭富水泵的性能參數作為仿真模型中流量源的參數進行仿真計算。

水冷管路主要由直管道、彎頭、閥門及被冷卻元件等幾種元件組成。設置邊界條件時，需要將直管道、彎頭及閥門的參數輸入元件中，對于被冷卻元件需要對被冷卻元件的模型進行三維特性分析或試驗測量，得到元件的流量特性曲線，將結果輸入模型中。

3.1 管道元件的設置

管道元件的模型如圖3所示。

圖3 管道元件模型

管道元件主要設置管道內徑、長度及內表面粗糙度等參數。

3.2 彎頭元件的參數設定

彎頭元件的模型如圖4所示。

圖4 彎頭元件模型

彎頭元件主要設置彎頭的彎曲角度、彎曲半徑、內徑及內表面粗糙度等參數。

3.3 被冷卻元件的參數設置

被冷卻元件采用流阻元件代替，流阻元件模型如圖5所示。

圖5 彎頭元件模型

流阻元件需要設置被冷卻部件的流量特性數據。可以對被冷卻元件的模型進行三維特性分析或試驗測量，得到被冷卻元件在不同流量下對應的壓力損失數據。如表1所示，為某水冷板的流量特性數據。

表1 某被冷卻元件流量特性數據

將表中的數據填入流阻元件模型中，可自動擬合成該水冷板的流量特性曲線，如圖6所示，一般情況下被冷卻器件正向流量特性曲線和逆向流量特性曲線一致。

3.4 邊界條件設置

冷卻管路的邊界設置主要包括流量源和壓力邊界的設置。

Flow Source：流量源

Pressure Source：壓力源

通過流量源和壓力源的參數設定，可以進行以下分析研究：

a）給定固定壓力邊界，可以研究系統流量與壓降的關系特性。

b）給定一個壓力邊界和流量邊界，從而研究實現該流量時的驅動壓力。

圖6 某水冷板的流量特性曲線

一般情況下，在冷卻回路的輸入端設置流量源，輸出端設置壓力源。壓力源一般設置為固定值，改變流量源的參數可改變冷卻回路的給定流量，流量源連接的節點上的壓力與壓力源的差值即為冷卻回路在該流量下的壓力損失。

3.5 建立模型并計算

根據實際情況在FlowmasterV7軟件中完成邊界條件的設置后，對優化前管路模型進行管路壓降仿真計算，得到結果如圖7所示。

圖7 優化前管路模型壓降仿真結果

從優化前管路的壓降仿真結果來看，總壓降約為1.73 bar。為了降低流阻，我們從管件直徑、管件材料、支管路串并聯方式等方面進行了優化設計，具體優化內容見表1。

我們按照表1中的優化項目將優化后的管路模型整體導入FlowmasterV7軟件，在不改變邊界條件設置的情況下進行仿真計算，得到結果如圖8所示。

表1 部分管件優化前后對比

圖8 優化后管路模型壓降仿真結果

通過優化設計，優化后的管路模型壓降為1.55 bar，管路流阻相較于優化前降低了0.18 bar。

4 仿真與試驗結果對比分析

鑒于我們在變頻器水冷管路優化前后設置的邊界條件未發生改變，可以認定兩次仿真計算的結果受相同變量影響，具有可比性。

從兩次仿真計算結果可以看出：通過上述對水冷管路的管件材料、管徑以及支路連接方式的優化設計，水冷管路經過優化后的壓降相比于優化前降低了10.4%，同時，也降低了水冷系統對水泵的功率和揚程要求，進一步提升了水冷系統的性能與效率。經過實際試驗驗證后，證明優化設計方案合理有效，能夠為后續變頻器水冷管路的流阻設計提供依據。

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Optimal design based on FlowMasterfor water-cooled pipeline of frequency converter

Cai Yu, Yao Guofu, Zhang Bo

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM921.51

A

1003-4862（2022）01-0059-03

2021-05-15

蔡煜（1989-），男，工程師。主要研究方向：電子設備熱設計。E-mail: csic712cy@163.com