基于流-固耦合的船用电源模块流场及温度场分析

2022-02-22张艺耀龙文枫

船电技术 2022年2期

关键词：电源模块温度场散热器

张艺耀，龙文枫，肖霆，别瑜，陈革

应用研究

基于流-固耦合的船用电源模块流场及温度场分析

张艺耀，龙文枫，肖霆，别瑜，陈革

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文以某采用强迫风冷的船用不间断电源为例，介绍了其柜体内部的回路结构，并利用有限元仿真软件Icepak对其进行流-固耦合仿真计算，得到该模块的内部风道流场和稳态温度场。提出了一种新的风冷系统优化方法，降低了功率器件的最高温度，使得系统温度分布更加合理，优化后散热效果达到设计要求。该优化方法可为电力器件柜体散热提供一种思路。

电源模块流固耦合流体场温度场

0 引言

当今，电力推进系统因为其安装灵活、易于获得理想的特性、运行可靠、轻振、环保等优点，越来越广泛地应用到了现代船舶领域当中。随着电力电子技术的不断完善，船舶电源模块的研究取得了较好的发展。然而，电力模块中的电力电子器件的损耗发热现象一直是研究人员重点关注的问题，过高的温升会导致电力器件的失效，这将直接影响到整个电力系统的工作可靠性[1]。为了保证电源模块的稳定运行，有必要对其进行温度场分析。

目前计算电力器件温升的方法大致有两种：热路模型法和计算机仿真法。其中，热路模型法是通过对研究对象热传递路径的分析，建立与电路相似的热路模型，代入传热系数，计算出目标位置的温升情况[2]。但是该方法的计算精度较低，并且不能得到研究对象整体的温度分布情况。随着计算机技术及场域仿真技术的发展，采用电子计算机使用数值算法计算电器的温度场，可以得到较为准确的结果，并且能够得到研究对象的温度分布情况[3]。

计算机仿真技术中的有限元法在近些年中有很大的发展，己经成功地解决了一些流动及对流换热问题。国外在有限元分析软件领域已经有许多较为成熟的产品问世，其中影响较大的有Ansys有限元分析软件包等，已有较多研究人员利用其对电子设备进行了温度仿真[4-9]，并取得了一定的研究成果。

本文将针对某船用不间断电源模块，利用Ansys平台下Icepak软件对其进行稳态温度场和流体场仿真计算，根据仿真结果对其散热系统进行优化，使得优化后温升结果达到设计要求。

1 求解模型的确定

1.1 物理模型

该电源功率模块的三维结构模型如图1所示，图（a）中1为散热器，2为进风口，3为顶部风机位置（风机图中未画出），4为电容模块，5为MOSFET模块组（从左往右，其中第1～6个模块为逆变模块，7～9为充放电模块，10～12为整流模块）。图1(b)所示为该电源模块冷却风路示意图，冷空气从下侧进风口进入，流经散热器经过热交换后，通过上风道抽风机流出系统外，所选用的风机型号为TXB060S-190AB。模块总体散热要求：各功率模块稳态最高温度不能超过70℃。

图1 电源模块模型

为了方便模型的网格划分，首先对电源模块三维模型进行简化，删去模型的连接紧固件以及不影响仿真结果的结构特征，得到如图2所示的简化计算模型。在Icepak中对模型进行网格划分，网格类型选择非结构化网格，划分完成后总单元数为2, 538, 755，体网格与模型实体贴合紧密，网格质量较好。

图2 简化后计算模型

1.2 数学模型

电源模块内部流-固耦合分析包括两个过程：一是发热元件损耗产生的热量通过热传导的方式传递到散热器的外表面，二是散热器表面的空气通过对流和辐射的方式将热量传递出去。该过程须满足三大基本守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。其中所涉及的守恒方程如下所述[10]：

1）质量守恒方程：

式中：为密度，为时间，u为速度矢量，S为源项。

2）动量守恒方程：

式中：为静压；为应力张量；g和F分别为方向上的重力体积力和外部体积力，其中F包含了其他模型的相关源项。

3）能量守恒方程：

式中：c为比热容；为温度；为流体传热系数；S为黏性耗散项。

1.3 求解假设及条件设置

仿真采用二阶求解计算，设置湍流计算模型，忽略太阳热辐射、海拔等影响，环境温度设为20℃。将逆变模块、充放电模块、整流模块设为热源，损耗功率密度按体平均分配，功率大小如表1所示。

表1 单个功率模块损耗大小（W）

2 计算结果及分析

2.1 电源模块流体场分布

散热器翅片的长度和密度对柜体散热效果有着重要影响，翅片参数设置得越合理，翅片表面和流体之间的热交换量越大，则系统的散热性能越好。

图3 风道流场和流速云图

图3（a）为计算完成后电源模块的内部流场示意图，（b）为截面流速云图，可以看出散热器中间部分流速较大，两侧流速较小。意味着散热器中间部分翅片与流体热交换量较大，散热效果较好；两侧部分翅片与流体热交换量较小，散热效果较差。

2.2 电源模块温度场分布

功率模块及散热器的温度云图如图4所示，可见整流模块的温升最高，最高温度达到近71.1℃，逆变模块温度在52℃左右，充放电模块温度相对较低，在42℃左右。从整体上看，各发热模块的温度分布较为不均匀，发热较严重的部分集中在右侧，且最高温度已经超过设计要求所允许的温度上限70℃，因此尚需对模块散热系统进行优化，使散热效果达到设计要求。

在进行柜体设计的过程当中，当系统最高温度超过允许温度上限时，常用的解决办法有：采用更大功率的风机、加大散热器的尺寸、修改柜内器件布局等。但是这些方法可能会给系统带来振动噪声性能不达标、系统承重增加等新的问题，倘若重新设计电气柜体的构造则会花费较大的精力。

图4 功率模块温度分布云图

考虑到散热器两侧的风速及流量较小，而损耗发热功率最大的整流模块集中在右侧，只需设法提升散热器右侧的风速即可。

3 风路优化及结果分析

3.1 优化方法

根据上述分析，本文提出一种新的风路优化思路，即在逆变模块和充放电模块对应的散热器位置下方放置一风路阻尼板（如图5所示），增大该区域风路的流阻，使其值远大于整流模块部分，在不改变风机型号和散热器参数的情况下，提高整流模块部分散热器的风速和流量。

图5 风路优化示意图

本案例中，所选用的阻尼板长758.5 mm，宽152 mm，通风孔的直径为10 mm，开孔率为0.34（空气能流过的面积与整板面积之比）。

3.2 优化后流体场分析

仿真模型中加入风路阻尼板后，重新划分网格、计算然后得出结果。由于下方风路阻尼板的存在，即阻尼板上方部分散热器的风路入口截面积减小，流体流阻增大，散热器翅片间流体流量降低，因此冷风与翅片之间的热交换量亦下降。而在风机正常工作，即风机总体风量及风压未发生显著改变时，右侧未放置风路阻尼板的散热器部分由于流阻较小，因此其间通过的流体流量大，流速快，流体与翅片间的热交换量亦增加，散热效果增强。

图6 优化后截面流速云图

图6为散热器下方放置阻尼板后的截面流速云图，图7为优化前后散热器翅片风路出口处流速对比图，表2为各功率模块所对应的散热器风道出口处的平均流速。

图7 优化前后散热器流速对比

可以看出，加入风路阻尼板后，逆变模块和充放电模块对应的散热器部分的平均流速有所下降，降幅约为0.2至0.4 m/s左右，而整流模块对应的散热器部分的流速则有较大幅度的增加，增幅约为0.86 m/s，仿真结果与上述分析是一致的。

表2 各模块风道流速（m/s）

3.3 优化后温度场分析

根据上述分析，由于阻尼板上方部分的散热器翅片间风速、流量较小，翅片与流体热交换量小，热量无法传递出系统外而停滞，因此散热效果较差；而阻尼板右侧部分散热器由于翅片与流体热交换量较大，热量能够较好地传递出系统外，因此散热效果更好。

图8为优化后功率模块和散热器的温度场云图，图9为优化前后散热器横向位置的温度对比折线图。可以看出加入风路阻尼板后，由于散热器翅片各区域间风速的变化，逆变模块和充放电模块的温度均有所上升，升幅约为3℃，而整流模块部分的温度总体上下降了约5℃。表3给出了各功率模块在优化前后的最高温度大小情况，可见优化后各模块的最高温度均控制在允许温度上限70℃范围以内，优化后系统的散热效果达到设计要求。

图8 优化后功率模块温度云图

图9 散热器横向温度对比

表3 各模块最高温度（℃）

本系统的逆变模块和充放电模块的损耗发热功率较小，系统达到热稳态时模块温度距离散热要求上限70℃尚有足够的裕量，因此在放置阻尼板后散热效果降低的情况下，左侧逆变和充放电模块仍然满足散热要求。而整流模块体积小，损耗发热功率较大，发热集中在右侧，阻尼板的加入会使板右侧边缘部分小范围内区域的风速得到较大提升，使得整流模块部分的散热效果得以集中强化，故该模块整体温升进一步降低了5℃左右，风路优化方法取得了预期中的效果。