液冷冷板并联流道流量被动分配研究.pdf

收稿日期:2 0 2 3 0 1 0 4液冷冷板并联流道流量被动分配研究方天宇,谢 飞,蒋尔进(中国电子科技集团公司第二十研究所,陕西 西安 7 1 0 0 0 0)摘要:有源相控阵雷达天线阵面中 T/R 组件的均温性对雷达的电气性能和可靠性有重要影响。针对单个冷板上存在多个大功率发热器件时并联流道的流量分配进行了研究,利用计算流体动力学(C F D)数值模拟方法对液冷冷板流道的结构进行设计,使得流量分配均匀,并对液冷冷板有、无进行优化设计的数值模拟结果进行对比。结果表明流量分配的效果显著,对其他的单个冷板存在多个大功率器件的工况具有参考意义。关键词:液冷冷板;流量分配;计算流体动力学;C OM S O L软件 中图分类号:T N 8 2 1.8文献标识码:B文章编号:C N 3 2-1 4 1 3(2 0 2 3)0 4-0 1 1 7-0 4D O I:1 0.1 6 4 2 6/j.c n k i.j c d z d k.2 0 2 3.0 4.0 2 6R e s e a r c h i n t o P a s s i v e F l o w D i s t r i b u t i o n i n P a r a l l e lC h a n n e l s o f L i q u i d C o o l i n g P l a t e s F ANG T i a n y u,X I E F e i,J I ANG E r j i n(T h e 2 0 t h R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C E T C,X ia n 7 1 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e t e m p e r a t u r e u n i f o r m i t y o f T/R c o m p o n e n t s i n t h e a n t e n n a a r r a y o f a c t i v e p h a s e d a r-r a y r a d a r h a s i m p o r t a n t e f f e c t o n t h e e l e c t r i c a l p e r f o r m a n c e a n d r e l i a b i l i t y o f r a d a r.T h i s p a p e r s t u d i e s t h e f l o w d i s t r i b u t i o n o f p a r a l l e l f l o w c h a n n e l w i t h m u l t i p l e h i g h p o w e r h e a t i n g d e v i c e s o n a s i n g l e c o l d p l a t e,u s e s t h e c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s(C F D)n u m e r i c a l s i m u l a t i o n m e t h o d t o d e-s i g n t h e s t r u c t u r e o f l i q u i d c o o l i n g p l a t e f l o w c h a n n e l,w h i c h e n s u r e s t h e u n i f o r m f l o w d i s t r i b u t i o n,a n d c o m p a r e s t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s o f t h e l i q u i d c o o l i n g p l a t e w i t h o r w i t h o u t o p t i m i z e d d e s i g n.R e s u l t s s h o w t h a t t h e f l o w d i s t r i b u t i o n e f f e c t i s s i g n i f i c a n t,w h i c h h a s r e f e r e n c e s i g n i f i c a n c e f o r o t h e r w o r k i n g c o n d i t i o n s i n w h i c h t h e r e a r e m u l t i p l e h i g h-p o w e r d e v i c e s o n a s i n g l e c o l d p l a t e.K e y w o r d s:l i q u i d c o o l i n g p l a t e;f l o w d i s t r i b u t i o n;c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s;C OM S O L s o f t w a r e 0 引 言随着现代电子技术的飞速发展,军用相控阵雷达对热设计的要求表现出了2个显著的特征:过高的热流密度使得风冷在相控阵雷达中的应用减少,液冷技术正得到来越广泛的应用;均温性的要求使得流道的结构形式逐步由集中式向分布式过渡,由此带来的并联管路的流量分配正成为液冷系统研制的一个重要问题1-2。目前,介绍相控阵雷达液冷技术的文献较多,但是对液冷系统中单个冷板内部流量分配技术详细论述的文献较少。本文结合某相控阵雷达液冷系统的研制对单个冷板中并联流道的流量分配问题进行了重点研究。1 问题描述本文拟针对单冷板内并联流道的结构进行设计,使得并联流道内的流量分布较为均匀。针对图1所示的原始流道结构进行改变,使得并联流道内流量分布较为均衡。针对图1所示的流道进行仿真,得到的流道中流速分布如图2所示。可以看出:并联流道中的流量分布极其不均匀,故此需要对流道的结构进行调整,使得并联流道内的流量分布较为均匀。2 0 2 3年8月舰 船 电 子 对 抗A u g.2 0 2 3第4 6卷第4期S H I P B OA R D E L E C T R ON I C C OUN T E RME A S UR EV o l.4 6 N o.4图1 流道原始结构图2 原始流道结构的流速分布2 流道最优结构设计2.1 流道可变结构设计为了改变并联流道内的流量分配,在分路的来流方向处增加三角形的导流块,将三角形迎向来流一边的长度记为Hi(i=11 5),见图3。将1 5个Hi组成的向量称之为流道变化向量,记为H。增加导流块后的流道见图4。针对每个分路导流块的Hi进行改变来调节对应分路内的流量3-5。图3 Hi示意图图4 增加导流块后的流道对于不同的流道变化向量H都有不同的流量分布,下面论述如何寻找流量分布最优对应的流道变化向量H。2.2 寻优算法本文研 究 的 问 题 可 以 归 纳 为 下 列 组 合 优 化问题:f i n d:h1,h2,hMhi,|i=1,2,1 5m i n:11 61 6i=1(Qn-M)2 (1)给定流道变化向量H初始向量,进行流道仿真,获取各个分路的流量Qi,将1 5路分路流量Qi组成的向量称为流量向量,记为Q;(2)将入口流量的1/1 5设为目标数值,记为M,将M、Q代入H=F(Q,M)中,计算得到流道修正向量H;(3)将流道修正向量H代入H=H+H中,求得流道变化向量H;(4)将Hi代入仿真中进行计算,获取各个分路的流量Q;(5)计算Q的均方差进行判断,是否继续循环,是的话重复(2)(4),否的话进行(6);(6)将结果输出。图5 流道结构寻优算法流程图各个变量定义:流道变化向量:H=H1,H2H1 5流量分路向量:Q=Q1,Q2Q1 6流 道 结 构 修 正 向 量:H=H1,H2H1 5流量修正目标:M=11 61 6i=1Q1流道修正函数:H=F(Q,M)M a t l a b主要控制函数:Wh i l e(N0.0 2)%停止 条 件m o d e l.c o m p o n e n t(c o m p 1).g e o m(g e o m 1).r u n;%更新模型811舰 船 电 子 对 抗第4 6卷 m o d e l.s t u d y(s t d 1).r u n();%求解m o d e l.r e s u l t().e v a l u a t i o n G r o u p(e g 1).r u n();%求解计算组,并输出X至T X TX=(d l m r e a d(L i u L i a n g.t x t,5,0);%偏移5行0列读取数据X(a l l(X=0,2),:)=;%删除向量中的零元素。X=-X;M=m e a n(X);%取均值。f o r i=1:1 6 D A S D A=(a b s(X(i)-M);D A S D A 2=(0.0 5M);D A S D AD A S D A 2;i f(D A S D AD A S D A 2)%超过0.0 5M进行结构变化,否则按照上次结构继续。Y(i)=F(X(i),M);%计算Y e n di f(Y(i)=2 0)Y(i)=1 9.9;%超过2 0的话回归。e n de n dD X(N,:)=X%保存X结果D Y(N,:)=Y%保存Y结果m o d e l.p a r a m.s e t(H1,Y(1);%将Y赋予模型m o d e l.p a r a m.s e t(H2,Y(2);m o d e l.p a r a m.s e t(H3,Y(3);m o d e l.p a r a m.s e t(H4,Y(4);m o d e l.p a r a m.s e t(H5,Y(5);m o d e l.p a r a m.s e t(H6,Y(6);m o d e l.p a r a m.s e t(H7,Y(7);m o d e l.p a r a m.s e t(H8,Y(8);m o d e l.p a r a m.s e t(H9,Y(9);m o d e l.p a r a m.s e t(H1 0,Y(1 0);m o d e l.p a r a m.s e t(H1 1,Y(1 1);m o d e l.p a r a m.s e t(H1 2,Y(1 2);m o d e l.p a r a m.s e t(H1 3,Y(1 3);m o d e l.p a r a m.s e t(H1 4,Y(1 4);m o d e l.p a r a m.s e t(H1 5,Y(1 5);N=N+1;e n d3 流道仿真3.1 流道仿真边界条件(1)环境温度3 5;(2)入口处冷却液温度为3 5;(3)冷却液类型为去离子水。3.2 流道仿真模型流道仿真分析计算采用分析软件C OM S O L进行,根据软件建模的特点和要求,在保证仿真结果不失真的前提下,对仿真模型进行了部分简化,忽略了所有螺钉孔以及与冷板流动关系不大的局部特征。将流道在仿真模型中分为两部分,为获取流量分路向量Q做准备。给定流道变化向量初始值H=5。流道仿真分析模型如图6所示。图6 流道仿真分析模型运行编制好的程序后,得到了优化后的流道变化向量:H=6.0 1 95,5.9 5 88,6.1 6 08,5.2 6 94,5.8 8 56,6.5 3 47,7.8 0 2 9,7.8 7 4 5,9.6 6 76,1 1.1 4 5 8,1 3.0 2 26,1 3.8 4 73,1 5.5 6 67,1 6.9 8 38,1 7.9 7 65,1 3.1 3 43。根据H进行建模得到图7所示冷板,对其进行流量仿真,结果如图8所示。图7 优化后的流道仿真分析模型图8 优化后的流道仿真分析结果根据对流道截面上的速度在z方向的分量进行积分得到流量分路向量:Q=0.2 8 53,0.2 7 45,0.2 8 48,0.2 9 25,0.2 7 2 6,0.2 8 5 0,0.2 8 23,0.2 7 99,0.2 7 2 3,0.2 7 7 9,0.2 8 5 5,0.2 9 4 0,0.2 7 76,0.2 7 23,0.2 8 55,0.2 8 46 1 0-5m3。911第4期方天宇,等:液冷冷板并联流道流量被动分配研究可以看出Q的各个分量均在M的5%以内,满足1 0%精度的要求,认为本次优化的结果可用。4 冷板热仿真热仿真仿真边界条件如下:(1)环境温度3 5;(2)入口处冷却液温度为3 5;(3)冷却液类型为去离子水;(4)3 2个1 5 W热源共4 8 0 W。图9、图1 0为流道优化前后的仿真结果。图9 流道优化后热仿真结果图1 0 流道优化前热仿真结果 对比观察图9与图1 0,可以明显地发现优化后的流道结构 对多热源的 温度一致性 有 了 明 显提升。5 结束语本文通过对液冷冷板中并联流道建立参数化优化模型进行分析计算,得到了一种可以优化并联流道流量分配的分析方法,对类似的单冷板上分布有多个大功率器件并对温度一致性要求较高的情景有一定的参考意义。参考文献1 付祥钊.王岳人.王元,等.流体输配管网M.北京:中国建筑工业出版社,2 0 0 1.2 关宏山.某相控阵雷达液冷流量分 配系 统研 究 J.2 0 2 1,2 7(4):9 1 2.3 华绍曾,杨学宁.实用流体阻力手册M.北京:国防工业出版社,1 9 8 5.4 杨涛.船载水冷机柜的结构及散热分析J.舰船电子对抗,2 0 2 2,4 5(5):1 0 6 1 1 0.5 苏志强.基于I c e p a r k的某电子设备散热设计J.舰船电子对抗,2 0 2 0,4 3(3):1 2 6 1 2 8.(上接第1 0 2页)参考文献1 张永乐,王永勇,郑炜.一种基于F P GA的在线程序升级方案J.电子技术应用,2 0 1 7(3):4 8 5 4.2 关珊珊,周洁敏.基于X i l i n x F P G A的S P I F L A S H控制器设计与验证J.电子器件,2 0 1 2(2):2 1 6 2 2 0.3 陈召全.特殊环境下F P G A代码在线升级功能的实现J.电子设计工程,2 0 2 1,2 9(2 3):1 2 8 1 3 2.4 林天静,阮翔,刘春.基于F L A S H控制器的F P G A在线加载功能设计J.电子技术应用,2 0 1 9,4 5(1):8 89 1.021舰 船 电 子 对 抗第4 6卷