多开关电源密集排布散热设计与仿真分析

张国连，高子渝，杨伦磊，张 陈

(1.长安大学 公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710064；2江苏集萃道路工程技术与装备研究所有限公司，江苏 徐州 221004)

0 引 言

开关电源是沥青路面微波加热机的关键部件，开关电源的散热性能好坏直接影响沥青路面的加热均匀性、加热效率、使用可靠性和经济性。开关电源周围环境温度较高、连续工作时间长、数量多、发热量较集中的使用特点，对微波加热机的电源柜散热设计提出更高的要求。如果微波加热机的开关电源产生的热量不能及时散出去，会使有限空间内功耗密度增加，开关电源的内部热流密度迅速上升，温度急剧升高，造成微波功率下降，甚至对产品的正常工作造成巨大影响。因此，需要对微波加热机的电源柜进行散热设计，并对开关电源内部的散热情况进行仿真分析。

大连交通大学张金龙利用FLUENT 软件建立了电子元器件通风系统整个流场的仿真计算模型，通过对电子元器件内部流场进行数值仿真计算，得到电子元器件通风散热系统内气体的流动特性[1]。2014年，Jason Stafford 和 Florian Fortune[2]研究了轴流风扇的气流动力特性，利用试验和数值模拟技术，得到风扇气流与散热出口形状之间的关系。F.A.I. Mariam运用 FLOTHERM 热分析软件，建立通信机柜的模型，对与风扇相关的变量进行了优化，得到最佳的变量组合，提高了设备的散热性能。苏世明等针对一个具体的电子设备，分析了机箱内部的传热类型，采用Icepak热分析软件进行稳态热仿真，提出了2种改进结构形式[3]。

Fluent软件作为一种CFD仿真分析软件，被广泛用于计算流体流动、传热等问题[4-5]。本文通过理论计算，并利用Fluent软件对多开关电源密集排布采用强制风冷散热方式进行数值模拟研究。

1 理论计算与分析

单个开关电源发热功率为111.3 W，内部通风道面积为0.001 8 m2，开关电源两侧对称布置，每一侧开关电源数量为14个，对开关电源进行散热计算[6-7]。

假定冷却空气进口温度为35 ℃，出口温度为40 ℃，则定性温度为37.5 ℃。空气的物理参数包括：定比热容Cp=1 005 J·(kg·℃)-1；密度ρ=1.128 kg·m-3;导热系数λ=2.76 W·m-2·℃-1；动力黏度μ=1.95×10-5kg·(m·s)-1；运动黏度γ=16.95×10-6m2·s。单个开关电源内部风扇风量qv=0.036 3 m3·s-1；空气流量qm=ρqv=0.041 0 kg·s-1；最大静压为149 Pa。

开关电源排布如图1所示。电源产生的热量通过中间引风道向上排出，顶部轴流风机进行抽风。风道阻力主要分为3个部分：电源内部冷却通道的沿程压力损失、电源内部出口经90°进入引风道向上的局部压力损失、引风道内向上流动的沿程压力损失。

图1 开关电源排布

开关电源内部的沿程压力损失

(1)

式中：l为通道的长度(m)；f为沿程压力损失系数；v为空气流速(m·s-1)。

开关电源出口处的局部压力损失

(2)

式中：ε为局部压力损失系数。出口风道经90°转弯进入引风道向上排出，局部压力损失系数ε=1.5，可以得到ΔPd=38 Pa。

轴流风机产生的风量qv1=1.667 m3·s-1，因为qv1>qv，该轴流风机满足使用要求。

单个轴流风机的风压为230 Pa，顶部通道截面面积约为0.126 m2，高度为1.301 m，顶部通道当量直径de1=0.175 m。电源柜顶部通道流速v2=13.23 m·s-1，查表可得，沿程压力损失系数f=0.02，沿程压力损失ΔPr1=9.29 Pa。

单侧一竖排开关电源形成的局部压力损失 ΔPd1=ΔPd×7=266 Pa。则

ΔPr1+ ΔPd1=275.09 Pa>230 Pa

可知轴流风机在经过90°的直角转弯的局部压力损失和流入电源柜顶部通道的沿程压力损失之后，无法在中间引风道内中底位置开关电源处建立起负压。

2 单个开关电源的仿真分析

2.1 计算域物理模型

单个开关电源内部结构如图2所示，根据研究对象的全尺寸1∶1建模，将单个开关电源的计算域分为3个单元区域：流体、基板固体、热源固体。对开关电源进行简化，并对电源内部元器件进行等效，计算域物理模型如图3所示。

图2 开关电源内部结构

图3 开关电源等效计算域模型

2.2 网格划分

对计算域物理模型进行离散化处理。本文采用ANSYS Workbench Fluid Flow模块中的Mesh进行网格划分，Size Function选择Proximity and Curvature，整体区域均为非结构四面体网格，对入口和出口面处以及固体热源体进行网格加密，保证最小正交质量小于0.1或最大倾斜度小于0.95，网格划分结果如图4所示。

图4 开关电源计算域网格

2.3 边界条件的设置

假定空气的流动是稳定、黏性和不可压缩的，考虑重力的作用。开启能量方程，湍流模型采用标准k-ε模型、标准壁面函数、压力速度耦合(Coupled)的算法进行数值计算[8-9]。

固体热源的材料默认为铝，设置等效固体热源作为源项(Source Terms)，设置体积功率密度为1 480 000 W·m-3。固体基板的材料选用铜，铜的导热系数高，热源产生的热量通过热传导的形式传递给基板，基板通过对流换热的形式将热量传递到空气中，最后通过强迫风冷的方式将热量带走。将内部散热风扇等效成fan面，定义为进气扇边界条件(Inlet-fan)，出口为压力出口(pressure-outlet)。测量散热风扇的最大静压及开关电源进口风速，默认进气风速边界的总压(Guage Total Pressure)，设置压力跳跃(Pressure Jump)为100 Pa，进气风扇边界温度设置为300 K，压力出口边界(pressure-outlet)采用系统默认值。

2.4 仿真结果及分析

仿真结果以云图和平面坐标图显示，开关电源内部进口风速云图如图5所示，进口风扇面的平均风速为8.4 m·s-1。开关电源内部出口风速云图如图6所示，出口面平均风速为7.3 m·s-1。

图5 开关电源进口风速分布云图

图6 出口风速分布云图

开关电源内部流场的温度云图如图7所示，根据开关电源内部的温度变化趋势，热源处的温度最高，热源的体平均温度为331.15 K，得出热源的温升为31.15 ℃。

图7 电源内部温度云图

由单个开关电源的流固耦合仿真结果可以得出，热源的温升大小与理论计算的温升大小相差2 ℃左右，开关电源的进出口风速比理论计算的进出口风速偏大，但两者相差不大，因此仿真结果与理论计算基本一致。单个开关电源的流固耦合仿真结果主要为下面的流固耦合传热与风扇三维旋转域联合仿真分析提供参照和依据。

3 多热源流固耦合传热与风扇三维旋转域联合仿真分析

3.1 前处理与边界条件的设定

图8 多热源三维等效计算域模型

图9 多热源三维等效计算域网格

建立单个风扇与28个开关电源三维等效模型，如图8所示。采用ANSYS Workbench Fluid Flow模块中的Mesh进行网格划分，如图9所示。开启能量方程，湍流模型采用Realizablek-ε模型、标准壁面函数、压力速度耦合(Coupled)的算法进行数值计算，风扇旋转域采用稳态条件下的多运动参考系模型进行求解计算，对28个热源区域源项的体积功率密度进行设定，与单个开关电源仿真设置相同，对轴流风扇旋转区域与静止区域的交界面进行匹配，对28个开关电源进口边界的设置与单个开关电源仿真设置相同，初始化完成后，设置步数进行求解计算。

3.2 仿真结果及分析

某一截面流场的温度云图如图10所示，根据不同位置热源温度的变化情况，底部热源处的温度最高达到了341 K左右，顶部热源温度达到了331 K左右。底部与顶部的热源温度相差10 K左右。

图10 某一截面流场的温度云图

流场的速度云图及矢量图如图11、12所示，根据整个流场的速度变化趋势以及底部开关电源出口的速度变化趋势可知，底部两侧开关电源出口风速存在相互干扰的情况。

图11 截面流场的速度矢量图

图12 散热风道内部的速度矢量图

图13 流场的压力云图

图14 风道内部流场的压力矢量图

流场的压力云图及矢量图如图13、14所示，根据整个流场的压力变化趋势，底部开关电源出口的最大压力大约为60 Pa，轴流风扇在最上层一排开关电源以下区域建立不了负压，可能会影响开关电源的散热效果，导致底部开关电源产生的热量不能及时散出去，引起开关电源内部温度升高，开关电源功率下降。

对多热源流固耦合传热与风扇三维旋转域联合仿真的结果进行处理，得到每个开关电源的进出口平均风速、出口平均压力以及内部等效热源的平均温度等数据。如图15所示，随着散热风道的高度逐渐增加，内部压力逐渐减小，内部压力在1.2～1.4 m之间变化最大，表明内部的风道在此处的压力损失最大。

图15 散热风道内部压力的变化趋势

对仿真结果进行分析，记录各个开关电源的进口平均风速、各个等效热源的体平均温度以及出口面平均压力。随着开关电源高度的变化，开关电源的出口压力由低向高逐渐减小，进口风速逐渐增大，如图16所示。随着开关电源进口风速的增加，开关电源内部的等效热源平均温度逐渐降低，如图17所示。

图16 电源进口风速随电源出口压力的变化曲线

图17 热源点温度随进口风速的变化曲线

4 结 语

本文以微波加热机的电源柜为研究对象，用理论计算与数值模拟的方法计算出开关电源出口压力对开关电源内部风扇风速产生的影响以及电源进口风速对电源内部热源温度的影响，得到以下结论。

(1)对该结构排布形式下的开关电源的散热特性进行理论计算与数值模拟仿真分析，在进口边界条件相同的情况下，高度方向的各个开关电源等效热源温度存在偏差。

(2)在各个开关电源的进口风扇边界以及等效热源的源项参数相同时，开关电源进口风速随出口压力的减小而增大，且开关电源的等效热源温度随进口风速的增大而减小。

(3)中间散热风道的压力大小对开关电源的散热性能有显著影响，顶部轴流风扇对中间散热风道进行抽风时，在满足风量的条件下，尽量选用风压大的风扇，散热风道的结构尽量避免90°弯角，保证开关电源产生的热量能够及时散出去。

(4)强制对流换热过程中，在不考虑辐射换热的情况下，对于多开关电源密集排布结构采用强制风冷散热，在周围环境温度为27 ℃左右时开关电源可以正常工作。

进一步的研究工作是：对开关电源内部结构做进一步细化，仿真模型尽可能与开关电源实物相接近，为了验证仿真结果需要进行试验分析。