弹载相变热沉传热仿真与优化_邹银才.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期弹载相变热沉传热仿真与优化邹银才，李清国，吴辉，钟小兵，陈咸志（西南技术物理研究所，四川 成都 610041）摘要：随着导引头向小型化、轻量化、智能化和多模复合方向发展，导引头电子器件面临短时高功耗散热需求。相变热沉储热装置具有储能密度高、重量轻、被动不耗能等优点，但其相变材料传热效率低、熔化过程复杂，增加了散热设计难度。本文建立了弹载发热元器件散热计算模型和相变传热数学模型，基于Fluent软件开展了相变传热数值模拟和传热特性研究，通过采用均热板导热和增设强化导热筋的方式进行了相变传热优化设计。结果表明，采用均热板和增设强化导热筋能有效降低计算模型最高温度和高低温差，延长器件工作时长。导热板采用均热板代替铝合金时，计算模型高低温差可由98.8K降至50.3K，热沉内部增设3个强化导热筋，可进一步降低温差至17.9K，继续增加强化导热筋对传热效果影响将越加不明显。关键词：相变热沉；散热设计；数值模拟；传热特性；优化设计中图分类号：TN219 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1248-09Heat transfer simulation and optimization of missile borne phase change heat sinkZOU Yincai，LI Qingguo，WU Hui，ZHONG Xiaobing，CHEN Xianzhi(Southwest Institute of Technical Physics,Chengdu 610041,Sichuan,China)Abstract:With the development of the seeker towards miniaturization,lightweight,intelligence and multi-mode composite,the electronic devices of the seeker are facing the demand of short-term high-power heat dissipation.The heat storage device of phase change heat sink has the advantages of high energy storage density,light weight and passive no energy consumption,but its phase change material has low heat transfer efficiency and complex melting process,which increases the difficulty of heat dissipation design.The heat dissipation calculation model and phase change heat transfer mathematical model of missile borne heating components were established.The numerical simulation and heat transfer characteristics of phase change heat transfer were studied based on Fluent software.The optimization design of phase change heat transfer was carried out by using vapor chamber and adding reinforced heat conducting rib.The results showed that the maximum temperature and high-low temperature difference of the calculation model can be effectively reduced and the working time of the electronic devices can be prolonged by using vapor chamber and adding reinforced heat conducting rib.When the heat transfer plate adopted vapor chamber instead of aluminum alloy,the high-low temperature difference of the calculation model can be reduced from 98.8K to 50.3K.Three reinforced heat conducting ribs were added 研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0978收稿日期：2022-05-26；修改稿日期：2022-07-03。基金项目：激光院青年科技创新基金（K210034-038）。作者简介：邹银才（1992），男，博士，工程师，研究方向为传热学与流体力学。E-mail：。通信作者：李清国，研究员，研究方向为导引头系统总体。E-mail：。引用本文：邹银才,李清国,吴辉,等.弹载相变热沉传热仿真与优化J.化工进展,2023,42(3):1248-1256.Citation：ZOU Yincai,LI Qingguo,WU Hui,et al.Heat transfer simulation and optimization of missile borne phase change heat sinkJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1248-1256.12482023年3月邹银才等：弹载相变热沉传热仿真与优化inside the heat sink,which can further reduce the temperature difference to 17.9K.The continued increase of reinforced heat conducting ribs would have less obvious impact on the heat transfer effect.Keywords:phase change heat sink;heat dissipation design;numerical simulation;heat transfer characteristics;optimal design随着导引头向小型化、轻量化、多模复合导引头方向发展1-2，导引头集成度更高，空间更加紧凑，加上智能化、高速图像处理等需求提升1-4，需要采用高性能多核处理芯片，导引头总功耗和发热功率会更大，因此，导引头内部电子器件将面临更加严酷的散热需求。导引头通常在导弹未制导阶段开始工作，电子设备全功耗工作时间较短，只有几分钟甚至几十秒钟，因此导引头电子设备具有短时高功耗特点。相变热沉储热装置利用相变材料熔化过程的相变潜热对热能进行存储，具有储能密度高和温度稳定的优势5-9，相对于铝合金、紫铜等常用金属结构件热沉，还具有质量轻、体积小的优点，因此可用于解决小型化、轻量化导引头发展面临的电子设备散热问题。相变储能技术已在太阳能热发电10、建筑节能11、工业余热回收12等领域得到广泛应用。近年来，研究学者开始探索将相变材料应用于弹载电子设备散热设计中，特别是在有源相控阵导引头上已经积极开展了仿真设计和试验研究工作。高林星等13针对某弹载电子产品散热需求设计了一种石蜡相变储热装置，并对内部有无导热翅片设计进行仿真对比，研究工作说明了相变储热装置具备的优势和内部设置翅片的有利作用，但对相变储热装置优化设计描述较少。Sahoo等14对采用相变热沉冷却电子部件进行了研究，指出导热翅片结构直接影响热沉内石蜡熔化过程。何峻杰等15提出一种相变储能平板热管设计方案，对大功率相控阵天线T/R组件热源进行扩散和存储，并对其散热特性进行了实验研究。李涛等16对采用铝与相变均热板复合的热沉进行了仿真和实验研究，结果表明相变材料与均热板复合对散热和减重具有一定优势。尹本浩等17通过实验对比分析了弹载电子设备相变热沉装置在不同热通量下的工作特性，得到相变材料相变温度点和导热增强体对散热性能影响较大的结论。上述研究工作均对相变传热模型理论和仿真优化设计工作描述较少。林佳等18针对3种设计形式的相变热沉开展了温度场仿真和实验测试，测试结果有利于进一步优化仿真结果，但未对相变材料熔化过程开展研究，无法准确对热沉储热利用率进行优化。汤明春等19针对某弹载相变热沉结构模型，提出将相变潜热等效为比热容的方法，开展相变热沉结构瞬态仿真计算，该方法可较大程度地简化计算模型和计算过程，提升计算效率，具有一定工程应用价值，但相变热沉传热效果影响因素较多，且不同材料的等效参数难以验证，因此同样存在较大局限性。现有研究文献主要通过实验研究形式对设计的相变热沉进行温度测量以获得热沉储热性能，少数通过数值仿真获得设计热沉的温度分布等数据，对相变热沉传热过程和相变材料熔化过程的数学模型、相变过程数值模拟与优化设计方法等中间过程研究较少，不利于形成通用性仿真方法以指导相变热沉工程实践设计。为此本文根据某型导引头信息处理板特征尺寸建立发热元器件散热计算模型，以广泛使用的石蜡相变材料为参考，开展了相变热沉性能理论评估、相变传热理论模型和数值模拟方法研究，以及相变材料熔化过程及传热优化设计研究，形成了一套较为系统和通用的研究方法。1 相变热沉传热计算方法1.1 计算模型及理论评估发热元器件通过直接紧贴散热器结构，可减少热源传递路径和热阻，根据某型导引头所采用信息处理板的特征尺寸建立采用相变热沉进行元器件散热的基础计算模型，如图1所示，相变热沉由导热板和腔体封装石蜡而成。其中，h为热沉中石蜡厚度，a为热沉总厚度，b为腔体厚度，c和d为腔体内外直径，分别为126mm和130mm。为对相变热沉和金属件热沉的基本性能进行评估，对在相同体积下，采用封装石蜡的相变热沉、全石蜡的相变热沉相对铝合金热沉的质量和储热量进行了理论计算对比。结构材料储热量由材料显热容量组成，经历熔化过程的相变材料储热量除显热容量外，还包括熔化潜热容量。由式(1)和式(2)可计算热沉温度升高过程的储热量。化工进展，2023，42（3）QS=cVT(1)QL=qV (2)式中，QS为材料显热量，W；QL为相变材料潜热量，W；c为材料定压比热容，J/(kgK)；为密度，kg/m3；V为体积，m3；T为温升，K；q为熔化潜热，J/kg。由公式可知材料比热容和潜热是影响热沉储热能力的重要参数，而密度除影响热沉质量外，也会影响储热量。表1给出了某商用石蜡和铝合金基本物性参数，计算过程基于相同体积和50K相同温升条件，参考温度为 300K，石蜡固液分界点为330K。基于图 1 基础模型计算的结果见表 2，其中，M1为铝合金热沉的质量，M2为铝合金封装石蜡时相变热沉的质量，M2-1为热沉全是石蜡时的质量，Q1为铝合金热沉的储热量，Q2为铝合金封装石蜡时相变热沉的储热量，Q2-1为热沉全是石蜡时的储热量。可以看出，随着相变热沉中相变材料相对封装腔体的占比增加，相变热沉相对金属件热沉的质量越轻，储热量越大。相同条件下，6.5mm厚度热沉中，当石蜡厚度为3mm时，其储热量即可达到全铝合金热沉的2倍，而质量仅为其69.3%，极限情况下储热量可达全铝合金热沉的3.3倍，同时质量仅为其31.3%。上述计算结果可以看