航电设备内冷通道扩展表面的传热与流动特性研究

胡家渝

(中国电子科技集团第十研究所，成都 610036)

在航空电子设备中，由于COTS(components off the shelves)器件的大量使用，为保证系统可靠性，需要对这些器件进行良好的冷却处理。文献［1］指出，航电设备热管理的目的是将工业级元件的壳温度控制在85℃以下。对于使用的散热方式，文献［1］认为模块热流密度在500 W/m2以下时宜采用自然对流方式，在4 000 W/m2以上时宜采用其他散热方式，如液冷、热管等，而在这之间的区域宜采用强迫风冷方式。在飞机上采用强迫风冷时主要的供风方式为风扇和环控(ECS)。一般使用的强迫风冷配置方式有3种形式:直接风冷、穿通风冷和传导风冷。

由于直接风冷需要开通风孔，存在潜在的电磁兼容问题，且使用ECS的引气可能会存在灰尘、粒子、水气、油滴等污染因素，而穿通风冷的结构复杂，因此实际多采用传导式机架风冷模式［2］。

1 问题的提出

某型号飞机需要采用综合化航空电子设备，设备集成度高，同时有很高的电磁兼容和环境适应性要求，如其工作环境温度为－55～+70℃。载机对航电设备的质量、体积有极为严格的要求，同时由于机上环控系统供风量十分有限，供风压力低，且随飞行高度增加变化范围较大，因此某综合化航电系统采用了机架传导风冷的冷却方式，通过ECS对其进行送风冷却，供风模式如图1所示。考虑到机上供风小压头底，无法采用阻力大的普通钎焊翅片作为冷板内部的扩展表面，因此采用直接铣加工的方式，在冷板中铣出叉排通道作为传热扩展表面，如图2所示。如何计算风冷冷板的传热性能，并找出影响此类扩展表面传热及阻力性能的主要因素成为设计关心的主要问题。目前就已有文献来看，采用j、f因子进行计算是比较可靠和普遍的做法。以文献［4］为代表的试验只对用于紧凑型热交换器的翅片有相应的j、f数据，对采用铣制扩展表面的j、f因子还未见报道。本文通过CFD仿真计算并结合正交实验方法对一定范围内叉排通道进行了流动和传热性能计算，通过实验对计算结果进行了验证。在输入流量范围内分析了影响j、f因子的结构参数，最后总结了对应j、f因子关联式，为工程项目的开展提供了计算依据。

图1 常用的传导式机架风冷

图2 风冷机架空气流向及冷板内部情况

2 数值计算方法及验证

2.1 数学模型

在CFD的使用方面，所研究的对象无法使用经典的周期边界条件来表述物理对象的流动和传热状态，其原因主要有以下3点:

1)实际工程中使用的肋片进出口距离过短，基本上不可能存在处处充分发展的流态;

2)实验研究是基于定热流密度的前提，在这个前提下传热不可能呈现出周期发展的趋势;

3)通道段必须考虑传热的入口段效应。

因此需采用其他对应的简化计算措施。采用取其中一组通道的计算方法进行计算，两个侧面采用对称边界条件，并假设在垂直于流动方向上不存在动量和热量交换。

在直角坐标系中，以张量形式表示的控制微分方程表示如下［3］:连续方程

动量方程

能量方程

式(1)～(3)中 i，j，k=1，2，3。固体区域内不存在动量的控制微分方程，能量微分方程(3)对固体区域仍然适用，只是固体区域内能量方程中包含的速度项均为0。对于上述翅片内导热和空气间相互耦合的传热问题，利用控制容积有限元法进行整体耦合数值求解，并使用Fluent求解器求解。

2.2 边界条件设定

如图3所示，该模型建立了多个边界条件。其中上下表面为周期性边界条件，包括一个对称气体面及对称固体面、一个进口、一个出口、一个加热面。第二类边界条件即给出冷板底面热流密度。具体边界条件定义如下:

1)进口空气流速为均匀流速U，进口温度为Tin。本研究所使用模型的进口温度均由实验实测温度确定，之后进行正交实验时温度均设定为300 K;

2)出口处设为压力出口Pressure-out;

3)左右平面为对称边界条件(symmetry boundary conditions);

4)肋化表面通道内为耦合传热面(conjugate heat transfer);

5)其余壁面若未加以说明均考虑为绝热壁面。

图3 求解域设定(略去上盖板)

2.3 网格划分

在网格划分过程中使用了多重网格技术，采用Gambit进行网格划分，对通道上下壁面、肋片表面边界层均采用六面体网格，并进行了加密。其余流体采用5面体网格，固体采用六面体网格。求解所用网格如图4所示。

图4 求解所用网格

2.4 正交试验设计

采用正交试验设计对参与计算的模型参数进行规划以减少计算量，并扩大计算涵盖的工况范围。参与正交试验设计的参数如图5所示。同时参与设计的参数还有通道高度H。参与实验的模型参数及参数水平如表1所示，CFD实验正交表如表2所示。

图5 参与正交实验的各参数示意

表1 参与实验的模型参数及参数水平

A、B、C、D、E、F 每1 列代表一个因素，各列中的数字1、2、3、4、5表示对应各次实验的水平，每1行表示一次实验。不难看出，全部25次实验中，每个因素的各个不同水平出现了相同的次数(5次)，且任意因素的各种不同水平的搭配均有出现。

通过正交实验建立了25个不同结构参数的模型，每个模型的平均网格数为60万左右。对每个模型计算6种工况，即分别计算肋间Re数为600、700、800、900、1 000、1 100 的状态，共需计算150个工况。

表2 6因素5水平CFD实验正交表

2.5 数值计算结果验证

为了验证后续进行的CFD计算的可靠性，需要对一个典型实例进行实验，以判断在CFD建模和网格划分、计算的正确性和合理性。实验状态如图6、7所示。

图6 用于验证计算方法的实验件实物(未装上盖板)

图7 实验件及其安装在实验风洞后状态(未添加隔热措施状态)

实验利用台湾瑞领公司的LW-9266-SR风洞进行。在进行传热性能测试时，利用其提供的稳定气流进行测试，在加热板和进出口布置了热电偶用于测量对应进出口温度、加热板温度等，并计算传热特性。在进行阻力测试时，利用其自动SRC(即阻力特性曲线测定功能)对阻力特性进行测试，用于计算不同流量下实验件的阻力特性。测试的结果与之前CFD的计算结果比较如图8所示。

结果表明:仿真计算的结果是可靠的，其误差在10% ～15%。因此，可采用该数值模拟方式对不同结构参数下的插排扩展表面进行分析，从而获得其对应的j、f数值，并分析对其影响最大的结构参数。

图8 不同流量下实验测量参数与仿真分析对应结果的比较

3 数值模拟结果分析

进行数值计算后生成了大量数据，为了识别出其中对结果最有影响的因数，采用正交实验中的极差分析方法来识别这些特征参数。

由直方图9可知:肋片厚度对阻力因子f影响最大，其次是通道高度，且这种影响在Re=600～1 100时变化极小。图10是对j因子的分析结果。

由直方图10可知:肋片间通道宽度对传热因子j影响最大，随着Re数的增大，影响因素中第2位参数由通道高度变为通道中肋片的长度。在较高Re时，肋片长度越长，j越大，换热能力越强。

不同的结构参数对传热特性的影响可通过流场的分析获得验证。例如，高度对传热特性的影响可从流场分析图11得出。

图9 不同Re数下(600，1 100)各因素对f的影响

图10 不同Re数下(600，1 100)各因素对j的影响

图11 不同Re数下(600，1 100)不同通道高度流场分布

计算表明结果:流动在肋高较小(通道高度)时在所计算Re数在600～1 100均未出现明显的分离状态，而在通道高度较高时出现。肋后气流生成分离生成涡，这些涡流的生成可明显提高换热效率，前面极差分析的结果更进一步印证了该结果。

为了总结规律，利用多元线性回归方法得到关于 f、j的关系式。

根据量纲分析，f因子应具有如下量纲关系

其中:Re为雷诺数;h为通道高度(或肋高);L为冷板通道长度;其余参数如图5所示。由于数值实验均在常物性条件下求得，故不考虑Pr数的影响，等式左右均为量纲1量。将式(1)使用对数展开，即可对结果进行多元线性拟合。拟合式可直接用于计算此类表面换热系数及流动阻力特性。拟合出关于j，f的关系式为:

4 结束语

本文对一种用于航空电子设备冷却的肋化通道的传热与流动特性进行了数值模拟。通过正交实验设计计算了不同结构参数的肋化通道的换热及流动特性;对该计算方法进行了实验验证，获得了此类通道的j、f因子的关联式;通过极差分析得出在所研究的Re范围内，肋片厚度对阻力因子f有最大影响;肋间通道宽度对j因子有最大影响，随着Re数增大，对j因子有次要影响的因素由通道高度H变为肋长度L。

［1］Assouad Y.Forced convection cooling of airborne electronics［Z］.Coolingzone，1998.

［2］Issam Mudawar.Assessment of High-Heat-Flux Thermal Management Schemes［J］.IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES，2001，24(2).

［3］Fluent6.3 help document［Z］.

［4］Kays W M，London A L.Compact heat exchangers［M］.USA:McGraw-Hill，1964.

［5］Shah R K，London A L.Laminar Flow Forced Convection in Ducts［M］.New York:Academic Press，1978.

［6］kays W M.Crawford Convective heat and mass transfer［M］.USA:McGraw-Hill，1980.

［7］余建祖.换热器原理与设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.