液冷冷板并聯流道流量被動分配研究

方天宇,謝 飛,蔣爾進

(中國電子科技集團公司第二十研究所,陜西 西安 710000)

0 引 言

隨著現代電子技術的飛速發展,軍用相控陣雷達對熱設計的要求表現出了2個顯著的特征:過高的熱流密度使得風冷在相控陣雷達中的應用減少,液冷技術正得到來越廣泛的應用;均溫性的要求使得流道的結構形式逐步由集中式向分布式過渡,由此帶來的并聯管路的流量分配正成為液冷系統研制的一個重要問題[1-2]。目前,介紹相控陣雷達液冷技術的文獻較多,但是對液冷系統中單個冷板內部流量分配技術詳細論述的文獻較少。本文結合某相控陣雷達液冷系統的研制對單個冷板中并聯流道的流量分配問題進行了重點研究。

1 問題描述

本文擬針對單冷板內并聯流道的結構進行設計,使得并聯流道內的流量分布較為均勻。針對圖1所示的原始流道結構進行改變,使得并聯流道內流量分布較為均衡。針對圖1所示的流道進行仿真,得到的流道中流速分布如圖2所示。

圖1 流道原始結構

圖2 原始流道結構的流速分布

可以看出:并聯流道中的流量分布極其不均勻,故此需要對流道的結構進行調整,使得并聯流道內的流量分布較為均勻。

2 流道最優結構設計

2.1 流道可變結構設計

為了改變并聯流道內的流量分配,在分路的來流方向處增加三角形的導流塊,將三角形迎向來流一邊的長度記為Hi(i=1～15),見圖3。將15個Hi組成的向量稱之為流道變化向量,記為H。增加導流塊后的流道見圖4。針對每個分路導流塊的Hi進行改變來調節對應分路內的流量[3-5]。

圖3 Hi示意圖

圖4 增加導流塊后的流道

圖5 流道結構尋優算法流程圖

對于不同的流道變化向量H都有不同的流量分布,下面論述如何尋找流量分布最優對應的流道變化向量H。

2.2 尋優算法

本文研究的問題可以歸納為下列組合優化問題:

find:{h1,h2,…,hM}∈{hi,|i=1,2,…,15}

(1) 給定流道變化向量H初始向量,進行流道仿真,獲取各個分路的流量Qi,將15路分路流量Qi組成的向量稱為流量向量,記為Q;

(2) 將入口流量的1/15設為目標數值,記為M,將M、Q代入ΔH=F(Q,M)中,計算得到流道修正向量ΔH;

(3) 將流道修正向量ΔH代入H=H+ΔH中,求得流道變化向量H;

(4) 將Hi代入仿真中進行計算,獲取各個分路的流量Q;

(5) 計算Q的均方差進行判斷,是否繼續循環,是的話重復(2)～(4),否的話進行(6);

(6) 將結果輸出。

各個變量定義:

流道變化向量:H={H1,H2…H15}

流量分路向量:Q={Q1,Q2…Q16}

流道結構修正向量:ΔH={ΔH1,ΔH2… ΔH15}

流道修正函數:ΔH=F(Q,M)

Matlab主要控制函數:

While((N<100) &&(var(X)>0.02)) %停止條件model.component('comp1').geom('geom1').run;%更新模型

model.study("std1").run();%求解

model.result().evaluationGroup("eg1").run();%求解計算組,并輸出X至TXT

X=(dlmread('LiuLiang.txt',' ',5,0))';%偏移5行0列讀取數據

X(all(X== 0,2),:) =[];%刪除向量中的零元素。

X=-X;

M=mean(X);%取均值。

fori=1:16

DASDA=(abs(X(i)-M));

DASDA2=(0.05×M);

DASDA>DASDA2;

if(DASDA>DASDA2)%超過0.05×M進行結構變化,否則按照上次結構繼續。

Y(i)=F(X(i),M);%計算Y

end

if(Y(i)>=20)

Y(i)=19.9; %超過20的話回歸。

end

end

DX(N,:)=X' %保存X結果

DY(N,:)=Y' %保存Y結果

model.param.set('H1',Y(1)); %將Y賦予模型

model.param.set('H2',Y(2));

model.param.set('H3',Y(3));

model.param.set('H4',Y(4));

model.param.set('H5',Y(5));

model.param.set('H6',Y(6));

model.param.set('H7',Y(7));

model.param.set('H8',Y(8));

model.param.set('H9',Y(9));

model.param.set('H10',Y(10));

model.param.set('H11',Y(11));

model.param.set('H12',Y(12));

model.param.set('H13',Y(13));

model.param.set('H14',Y(14));

model.param.set('H15',Y(15));

N=N+1;

end

3 流道仿真

3.1 流道仿真邊界條件

(1) 環境溫度35 ℃;

(2) 入口處冷卻液溫度為35 ℃;

(3) 冷卻液類型為去離子水。

3.2 流道仿真模型

流道仿真分析計算采用分析軟件COMSOL進行,根據軟件建模的特點和要求,在保證仿真結果不失真的前提下,對仿真模型進行了部分簡化,忽略了所有螺釘孔以及與冷板流動關系不大的局部特征。將流道在仿真模型中分為兩部分,為獲取流量分路向量Q做準備。給定流道變化向量初始值H=5。流道仿真分析模型如圖6所示。

圖6 流道仿真分析模型

運行編制好的程序后,得到了優化后的流道變化向量:H=[6.019 5,5.958 8,6.160 8,5.269 4,5.885 6,6.534 7,7.802 9,7.874 5,9.667 6,11.145 8,13.022 6,13.847 3,15.566 7,16.983 8,17.976 5,13.134 3]。

根據H進行建模得到圖7所示冷板,對其進行流量仿真,結果如圖8所示。

圖7 優化后的流道仿真分析模型

圖8 優化后的流道仿真分析結果

根據對流道截面上的速度在z方向的分量進行積分得到流量分路向量:Q=[ 0.285 3,0.274 5,0.284 8,0.292 5,0.272 6,0.285 0,0.282 3,0.279 9,0.272 3,0.277 9,0.285 5,0.294 0,0.277 6,0.272 3,0.285 5,0.284 6] ·10-5m3。

可以看出Q的各個分量均在M的±5%以內,滿足10%精度的要求,認為本次優化的結果可用。

4 冷板熱仿真

熱仿真仿真邊界條件如下:

(1) 環境溫度35 ℃;

(2) 入口處冷卻液溫度為35 ℃;

(3) 冷卻液類型為去離子水;

(4) 32個15 W熱源共480 W。

圖9、圖10為流道優化前后的仿真結果。

對比觀察圖9與圖10,可以明顯地發現優化后的流道結構對多熱源的溫度一致性有了明顯提升。

5 結束語

本文通過對液冷冷板中并聯流道建立參數化優化模型進行分析計算,得到了一種可以優化并聯流道流量分配的分析方法,對類似的單冷板上分布有多個大功率器件并對溫度一致性要求較高的情景有一定的參考意義。