某机载设备电源柜散热优化设计及仿真分析

2021-09-02谭宏海

南方农机 2021年16期

谭宏海

（长安大学工程机械学院，陕西西安 710064）

温升是影响电源模块可靠性的关键因素，随着温度的提高，器件的失效率呈现出指数增长的趋势，严重影响设备的功率。某机载设备电源柜工作环境温度高，电源柜内部由多个开关电源组成并且连续工作时间长。因此，需要对该机载设备的电源柜进行散热设计，并对电源柜内部的散热情况进行仿真分析。笔者采用Fluent软件先对单个电源仿真确定所需参数，然后设计电源柜的模型，用确定的参数进行电源柜的仿真分析。

1 单个工业微波电源模型建立与仿真分析

1.1 单电源物理模型

按照等比例建模，对单个开关电源结构简化为芯片、变压器、散热片、基板、内部流体。

1.2 网格划分

对计算域物理模型进行离散化处理。笔者采用ANSYSWorkbench Fluid Flow模块中的Mesh进行网格划分，其网格数量为746 078，并对网格无关性进行了验证[1]。

1.3 边界条件的设置

本研究忽略辐射换热，仅对强迫风冷散热进行仿真分析。开启能量方程，湍流模型采用Realizable k-ε模型，标准壁面函数，离散项采用二阶迎风格式的压力速度耦合（Coupled）的算法进行数值计算[2-3]。芯片体积功率密度为27 777 000 W/m3，变压器体积功率密度为789 960 W/m3。将电源内部散热风扇等效成一个面，定义为进气扇边界条件(Inlet-fan)，设置压力跳跃（Pressure Jump）为65 Pa，进气风扇边界温度设置为300 K，出口为压力出口(pressureoutlet)[4-5]。

1.4 仿真结果及分析

仿真结果中开关电源进口平均风速及热源的温升大小与理论计算相差不大，单个开关电源的仿真结果为电源柜仿真分析提供参照和依据。

2 电源柜模型仿真分析

2.1 原电源柜物理模型

原电源柜模型选取18个电源作为研究对象，采用1∶1建模。原电源柜三维模型如图1所示。

图1 原电源柜物理模型

2.2 前处理及边界条件的设定

固体热源体积功率密度设定与单个开关电源仿真设置一致，对18个开关电源进口边界设置与单个开关电源仿真设置相同。

2.3 仿真结果分析

仿真结果的温度云图如图2所示，各开关电源内芯片和变压器的温度曲线变化如图3所示。

图2 原电源柜内部温度云图

图3 原电源柜发热元件温度曲线图

观察电源柜两侧散热风道流场的压力以及速度矢量图，如图4和图5所示，可以看出整个散热风道内流场的压力和速度变化趋势，自上而下散热风道内部压力逐渐增大，最底部的电源出口存在86 Pa左右的压力。由于散热风道内部压力的影响，电源出风不畅通，导致电源内部散热风扇无法产生一定的风速，造成电源出口的位置压力高，电源进口风速低。

图4 压力矢量图

图5 速度矢量图

截取电源柜内侧某一平面的速度云图以及矢量图，如图6和图7可以看出不同位置电源柜的速度流动方向和大小，通过观察底部左侧的轴流风机气体流动方向，此处的轴流风机起不到对电源降温的作用，底部右侧的轴流风机对底部左侧的电源有一定的作用，增加了电源的进口风速，但是改变了气体的流动方向，影响电源内部变压器的散热[6]。因此，需改进电源柜结构，降低风道阻力，减少压力损失，提高散热能力，减小温差。