不同进气方式对机载电子设备气冷冷板性能影响

2019-12-20彭孝天陈维建冯诗愚

海军航空大学学报 2019年5期

任童，彭孝天，陈维建，冯诗愚

（南京航空航天大学航空学院飞行器环境控制与生命保障工业和信息化部重点实验室，南京210016）

近年来，机载电子设备的发展呈现出小型化，高性能的发展趋势，局部热流密度不断提高。高温失效是其主要失效形式，在70～80℃时，温度每上升1℃，器件可靠性下降5%[1]。为保证设备可靠性及飞行安全，对机载电子设备散热提出了更高要求。

传统机载电子设备散热主要采用自然对流或风扇与散热片结合的强迫对流形式[2]。液体冷却和热管冷却是最常见用来提高电子设备散热性能的方式[3]，但是他们需配备复杂的系统，且由于飞机加速度以及倾斜角度的改变会影响其稳定性[4]，在国内还处于起步阶段，并未得到广泛应用。目前，风冷还是飞机上最常使用的散热方式，其可根据电子设备的实际形式定制散热器件提高装置散热性能。

通过实验方法来测试散热器件性能虽然直观可靠，但是周期长成本高[5]，因而实验前采用计算流体力学方法（CFD）克服上述不足。CFD 方法对机载电子设备散热问题的研究较多，刘晓红等对一机载雷达的散热器进行了模拟，通过模拟不同工况选定了最合适的导冷板厚度[2]；曹存明研究了不同肋片高度对机载通讯设备散热性能的影响[6]；李艳娜研究了散热器分布在不同位置时飞机蒙皮散热效果[7]；陈频华等人分析了自然对流条件下环境温度、设备功率等因素对电子元件温度场的影响[8]。这些研究涵盖了散热器位置、形状与散热效果的关系但未考虑风量以及流动方式对散热效果的影响。李明东采用CFD 方法模拟了一个底进顶出的单通道冷板风量不同的工况，得到了不同风量下的风道特性曲线[9]，而为了优化冷却效果，冷板通常采用多通道形式[10]。

本文对一机载电子设备用两通道气冷冷板进行了CFD模拟，分析了不同风量和流动方式下气冷冷板的工作特性，为机载电子设备的多通道气冷冷板设计提供参考。

1 物理模型与计算方法

1.1 物理模型

图1 为气冷冷板结构图，在芯片外包裹无氧铜和防锈铝2层散热材料，起到密封和散热作用[11-12]。芯片下方为锻铝冷板。冷板外侧有防锈铝外沿起到稳定加固作用。设备尺寸为250 mm×256 mm×48 mm；上半部分为33 张12.5 W 的芯片，芯片稳定工作的温度范围为-5 ～90℃[13]；共有35个矩形通道，15个出口通道，出口通道面积为18.5 mm2；20个入口通道，通道面积为15 mm2。芯片在气冷冷板中的分布见图2。

1.2 计算假设

为能重点模拟气冷冷板对芯片的传热过程，对冷板的实际工作做相应简化，认为满足以下假设：①入口为温度恒定15℃的干空气②不考虑流动过程中温度升高带来的物性参数变化；③气冷冷板不与外界空气发生换热；④不考虑重力的影响；⑤忽略装置的辐射换热；芯片简化为仅上表面发热的面热源[14-15]。

图1 气冷冷板整体结构图Fig.1 Overall structure of air-cooled cold plate

图2 芯片在气冷冷板中的分布Fig.2 Distribution of chips in air-cooled panels

1.3 网格划分及网格独立性检验

本文采用ICEM CFD 软件进行网格划分，各个部分均采用六面体网格见图3。考虑到边界层内流体的流动状态变化剧烈，故在翅片以及其他冷板与气体接触的区域进行网格加密。为了保证网格的无关性，选择数量为100 万、300 万和500 万的网格进行计算，以芯片工作的最高温度作为检验标准。网格数量为100万时，芯片工作的最高温度为353.3 K ，网格数量为300万时，网格温度为353.16 K，其结果与网格数量为500万时一致。网格数目与芯片最高温度的关系如图4所示，考虑到计算精度计算效率，选取数量为300万的网格。

图3 气冷冷板网格图Fig.3 Gas cold plate grid diagram

图4 网格数目与芯片最高温度的关系Fig.4 Relationship between the number of grids and the maximum temperature of the chip

1.4 计算方法

结合研究目的，须重点关注设备工作时气流的流动情况与芯片的散热情况。气流流动以三维定常无相变的形式进行。芯片与周围物体间，气流与气冷冷板间，2 层保温材料间的热量传递以对流换热的形式进行，气流之间、保温材料内部及翅片气冷冷板之间的热传递均以热传导的形式进行[16]。

采用Fluent 15.0 进行求解计算，选择基于压力的SIMPLE 算法，使用PRESTO（Pressure Staggering Option）方法对压力项离散。能量和动量采用二阶精度迎风格式离散。矩形通道征长度为3.75 mm，入口处雷诺数为6 371。由于本文所分析的气冷冷板由入口流入后在冷板后侧转弯会有低强度的涡旋，且雷诺数不大，选择Realizable k-e模型能得到较为准确的计算结果[17]。为了更好模拟壁面附近的流动情况，选择了加强壁面函数。

表1 为冷板所用各项材料的物性参数，结合计算假设及设备参数，设置边界条件如下：入口流量为30 kg/h，入口设置为速度进口，方向与边界垂直，速度为23 m/s；出口设置为自由流出口。热源设置为发热面，热源参数选择热流密度。热流密度可以根据发热功率和发热区域的大小得到计算可得芯片的热流密度为209 W/cm2。

表1 冷板所用各项材料的物性参数Tab.1 Physical properties of various materials used in cold plates

2 计算结果分析

2.1 入口速度对冷板性能的影响

图5、6为气流入口速度为23 m/s 时温度和速度分布，图7为芯片的温度分布。从图中可见，在气流入口处和出口处的芯片冷却效果较好，位于后侧气流转弯处的芯片温升较高。芯片的最高温度为80.16℃，达到了可安全工作的上限。

图5 气流入口速度为23 m/s 时的温度分布Fig.5 Temperature distribution at a flow rate of 23 m/s

图6 气流入口速度为23 m/s 时的速度分布Fig.6 Velocity distribution at a flow rate of 23 m/s

图7 气流入口速度为23 m/s 时的芯片温度Fig.7 Chip temperature at a gas inlet speed of 23 m/s

每隔2 m/s 设置一个节点，选择“最高温度”、“阻力”这2个参数观察速度对于气冷冷板性能的影响，结果如图8 所示。从图中可以看出，增加气流入口速度可有效降低芯片温度。在入口速度为20 ～30 m/s 的范围内时，最高温度随入口速度下降得非常快，但是随着速度进一步增加，温度下降的速度减慢。当气流速度大于40 m/s，每增加2 m/s，芯片温升的下降在1℃以内，此时如果继续增加气流的入口速度对于降低芯片温度的贡献不大，反而会增加流动阻力。所以，在选择空气入口速度时，应控制在41 ～45 m/s 之间。

图8 芯片最高温度及进出口压差随速度的变化Fig.8 Chip maximum temperature and inlet and outlet pressure difference with flow rate

2.2 流动方式对冷板性能的影响

上述计算中，空气从两侧流入由中间流出。显然，也可采用中间流入两侧流出的方式。以下简称前者为流动方式一，后者为流动方式二，如图9所示。每隔2 m/s 设置一个节点，观察芯片最高温度、最大速度和出口速度与入口速度的关系。

图9 流动方式Fig.9 Flow mode

从图10可看出，流动方式一的冷却效果整体好于流动方式二。在相同速度下，芯片工作的最高温度前者比后者低15℃左右。2 种工况下，最高温度随着入口速度的变化趋势基本相同，且无论采用哪种流动方式，流量都以55 kg/h 左右最佳。超出这个数值，再增加入口速度对冷却的效果影响不大。图11 可看出相同的速度条件下，流动方式二的最大速度小于流动方式一，较小的流动速度可保证设备工作的稳定性并且可降低噪音。由图12 可得相同速度下中间进两侧出的阻力小于两侧进中间出的流动方式。2种流动方式各有优劣，可由实际情况来选择合适的流动方式。