不同進氣方式對機載電子設(shè)備氣冷冷板性能影響

任 童，彭孝天，陳維建，馮詩愚

（南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院飛行器環(huán)境控制與生命保障工業(yè)和信息化部重點實驗室，南京210016）

近年來，機載電子設(shè)備的發(fā)展呈現(xiàn)出小型化，高性能的發(fā)展趨勢，局部熱流密度不斷提高。高溫失效是其主要失效形式，在70～80℃時，溫度每上升1℃，器件可靠性下降5%[1]。為保證設(shè)備可靠性及飛行安全，對機載電子設(shè)備散熱提出了更高要求。

傳統(tǒng)機載電子設(shè)備散熱主要采用自然對流或風(fēng)扇與散熱片結(jié)合的強迫對流形式[2]。液體冷卻和熱管冷卻是最常見用來提高電子設(shè)備散熱性能的方式[3]，但是他們需配備復(fù)雜的系統(tǒng)，且由于飛機加速度以及傾斜角度的改變會影響其穩(wěn)定性[4]，在國內(nèi)還處于起步階段，并未得到廣泛應(yīng)用。目前，風(fēng)冷還是飛機上最常使用的散熱方式，其可根據(jù)電子設(shè)備的實際形式定制散熱器件提高裝置散熱性能。

通過實驗方法來測試散熱器件性能雖然直觀可靠，但是周期長成本高[5]，因而實驗前采用計算流體力學(xué)方法（CFD）克服上述不足。CFD 方法對機載電子設(shè)備散熱問題的研究較多，劉曉紅等對一機載雷達的散熱器進行了模擬，通過模擬不同工況選定了最合適的導(dǎo)冷板厚度[2]；曹存明研究了不同肋片高度對機載通訊設(shè)備散熱性能的影響[6]；李艷娜研究了散熱器分布在不同位置時飛機蒙皮散熱效果[7]；陳頻華等人分析了自然對流條件下環(huán)境溫度、設(shè)備功率等因素對電子元件溫度場的影響[8]。這些研究涵蓋了散熱器位置、形狀與散熱效果的關(guān)系但未考慮風(fēng)量以及流動方式對散熱效果的影響。李明東采用CFD 方法模擬了一個底進頂出的單通道冷板風(fēng)量不同的工況，得到了不同風(fēng)量下的風(fēng)道特性曲線[9]，而為了優(yōu)化冷卻效果，冷板通常采用多通道形式[10]。

本文對一機載電子設(shè)備用兩通道氣冷冷板進行了CFD模擬，分析了不同風(fēng)量和流動方式下氣冷冷板的工作特性，為機載電子設(shè)備的多通道氣冷冷板設(shè)計提供參考。

1 物理模型與計算方法

1.1 物理模型

圖1 為氣冷冷板結(jié)構(gòu)圖，在芯片外包裹無氧銅和防銹鋁2層散熱材料，起到密封和散熱作用[11-12]。芯片下方為鍛鋁冷板。冷板外側(cè)有防銹鋁外沿起到穩(wěn)定加固作用。設(shè)備尺寸為250 mm×256 mm×48 mm；上半部分為33 張12.5 W 的芯片，芯片穩(wěn)定工作的溫度范圍為-5 ～90℃[13]；共有35個矩形通道，15個出口通道，出口通道面積為18.5 mm2；20個入口通道，通道面積為15 mm2。芯片在氣冷冷板中的分布見圖2。

1.2 計算假設(shè)

為能重點模擬氣冷冷板對芯片的傳熱過程，對冷板的實際工作做相應(yīng)簡化，認(rèn)為滿足以下假設(shè)：①入口為溫度恒定15℃的干空氣②不考慮流動過程中溫度升高帶來的物性參數(shù)變化；③氣冷冷板不與外界空氣發(fā)生換熱；④不考慮重力的影響；⑤忽略裝置的輻射換熱；芯片簡化為僅上表面發(fā)熱的面熱源[14-15]。

圖1 氣冷冷板整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of air-cooled cold plate

圖2 芯片在氣冷冷板中的分布Fig.2 Distribution of chips in air-cooled panels

1.3 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格獨立性檢驗

本文采用ICEM CFD 軟件進行網(wǎng)格劃分，各個部分均采用六面體網(wǎng)格見圖3?？紤]到邊界層內(nèi)流體的流動狀態(tài)變化劇烈，故在翅片以及其他冷板與氣體接觸的區(qū)域進行網(wǎng)格加密。為了保證網(wǎng)格的無關(guān)性，選擇數(shù)量為100 萬、300 萬和500 萬的網(wǎng)格進行計算，以芯片工作的最高溫度作為檢驗標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)格數(shù)量為100萬時，芯片工作的最高溫度為353.3 K ，網(wǎng)格數(shù)量為300萬時，網(wǎng)格溫度為353.16 K，其結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量為500萬時一致。網(wǎng)格數(shù)目與芯片最高溫度的關(guān)系如圖4所示，考慮到計算精度計算效率，選取數(shù)量為300萬的網(wǎng)格。

圖3 氣冷冷板網(wǎng)格圖Fig.3 Gas cold plate grid diagram

圖4 網(wǎng)格數(shù)目與芯片最高溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between the number of grids and the maximum temperature of the chip

1.4 計算方法

結(jié)合研究目的，須重點關(guān)注設(shè)備工作時氣流的流動情況與芯片的散熱情況。氣流流動以三維定常無相變的形式進行。芯片與周圍物體間，氣流與氣冷冷板間，2 層保溫材料間的熱量傳遞以對流換熱的形式進行，氣流之間、保溫材料內(nèi)部及翅片氣冷冷板之間的熱傳遞均以熱傳導(dǎo)的形式進行[16]。

采用Fluent 15.0 進行求解計算，選擇基于壓力的SIMPLE 算法，使用PRESTO（Pressure Staggering Option）方法對壓力項離散。能量和動量采用二階精度迎風(fēng)格式離散。矩形通道征長度為3.75 mm，入口處雷諾數(shù)為6 371。由于本文所分析的氣冷冷板由入口流入后在冷板后側(cè)轉(zhuǎn)彎會有低強度的渦旋，且雷諾數(shù)不大，選擇Realizable k-e模型能得到較為準(zhǔn)確的計算結(jié)果[17]。為了更好模擬壁面附近的流動情況，選擇了加強壁面函數(shù)。

表1 為冷板所用各項材料的物性參數(shù)，結(jié)合計算假設(shè)及設(shè)備參數(shù)，設(shè)置邊界條件如下：入口流量為30 kg/h，入口設(shè)置為速度進口，方向與邊界垂直，速度為23 m/s；出口設(shè)置為自由流出口。熱源設(shè)置為發(fā)熱面，熱源參數(shù)選擇熱流密度。熱流密度可以根據(jù)發(fā)熱功率和發(fā)熱區(qū)域的大小得到計算可得芯片的熱流密度為209 W/cm2。

表1 冷板所用各項材料的物性參數(shù)Tab.1 Physical properties of various materials used in cold plates

2 計算結(jié)果分析

2.1 入口速度對冷板性能的影響

圖5、6為氣流入口速度為23 m/s 時溫度和速度分布，圖7為芯片的溫度分布。從圖中可見，在氣流入口處和出口處的芯片冷卻效果較好，位于后側(cè)氣流轉(zhuǎn)彎處的芯片溫升較高。芯片的最高溫度為80.16℃，達到了可安全工作的上限。

圖5 氣流入口速度為23 m/s 時的溫度分布Fig.5 Temperature distribution at a flow rate of 23 m/s

圖6 氣流入口速度為23 m/s 時的速度分布Fig.6 Velocity distribution at a flow rate of 23 m/s

圖7 氣流入口速度為23 m/s 時的芯片溫度Fig.7 Chip temperature at a gas inlet speed of 23 m/s

每隔2 m/s 設(shè)置一個節(jié)點，選擇“最高溫度”、“阻力”這2個參數(shù)觀察速度對于氣冷冷板性能的影響，結(jié)果如圖8 所示。從圖中可以看出，增加氣流入口速度可有效降低芯片溫度。在入口速度為20 ～30 m/s 的范圍內(nèi)時，最高溫度隨入口速度下降得非?？欤请S著速度進一步增加，溫度下降的速度減慢。當(dāng)氣流速度大于40 m/s，每增加2 m/s，芯片溫升的下降在1℃以內(nèi)，此時如果繼續(xù)增加氣流的入口速度對于降低芯片溫度的貢獻不大，反而會增加流動阻力。所以，在選擇空氣入口速度時，應(yīng)控制在41 ～45 m/s 之間。

圖8 芯片最高溫度及進出口壓差隨速度的變化Fig.8 Chip maximum temperature and inlet and outlet pressure difference with flow rate

2.2 流動方式對冷板性能的影響

上述計算中，空氣從兩側(cè)流入由中間流出。顯然，也可采用中間流入兩側(cè)流出的方式。以下簡稱前者為流動方式一，后者為流動方式二，如圖9所示。每隔2 m/s 設(shè)置一個節(jié)點，觀察芯片最高溫度、最大速度和出口速度與入口速度的關(guān)系。

圖9 流動方式Fig.9 Flow mode

從圖10可看出，流動方式一的冷卻效果整體好于流動方式二。在相同速度下，芯片工作的最高溫度前者比后者低15℃左右。2 種工況下，最高溫度隨著入口速度的變化趨勢基本相同，且無論采用哪種流動方式，流量都以55 kg/h 左右最佳。超出這個數(shù)值，再增加入口速度對冷卻的效果影響不大。圖11 可看出相同的速度條件下，流動方式二的最大速度小于流動方式一，較小的流動速度可保證設(shè)備工作的穩(wěn)定性并且可降低噪音。由圖12 可得相同速度下中間進兩側(cè)出的阻力小于兩側(cè)進中間出的流動方式。2種流動方式各有優(yōu)劣，可由實際情況來選擇合適的流動方式。

圖10 最高溫度與入口速度的關(guān)系Fig.10 Shows the relationship between the highest temperature and the inlet flow rate

圖11 最大速度與入口速度的關(guān)系Fig.11 Shows the relationship between the maximum flow rate and the inlet flow rate

圖12 進出口壓差與入口速度的關(guān)系Fig.12 Relationship between inlet and outlet pressure difference and inlet flow rate

3 結(jié)論

風(fēng)冷是飛機上使用最多的冷卻方式，通過對特定設(shè)備的特點設(shè)計特有的散熱設(shè)備可有效提高散熱性能。為了確定合理的入口速度和流動方式，本文通過CFD 方法對氣冷冷板進行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果顯示：

1）入口速度越大，氣冷冷板冷卻效果越好，但是當(dāng)速度增加到一定程度后，芯片的最高工作溫度降低變緩，但入口速度增加會導(dǎo)致設(shè)備流阻增加；

2）2 種流動方式各有優(yōu)劣。在相同入口速度下，流動方式一的冷卻效果優(yōu)于流動方式二，流動方式二的工作噪音和流動阻力優(yōu)于流動方式一，可根據(jù)實際需要進行選擇；

3）2種流動方式冷卻效果及流動阻力與入口速度的變化趨勢大致相同。