相控阵反向并行流道液冷冷板设计与热仿真

刘亚龙, 陆 玥, 张发洋, 刘 宇

(上海无线电设备研究所,上海201109)

0 引言

有源相控阵雷达具有波束扫描、多目标快速搜索、抗干扰能力强等优势,是现代弹载雷达的主流发展方向[1]。发射/接收(Transmitter/Recei ver,T/R)组件作为有源相控阵雷达导引头的关键部件[2],在工作时约70%的电功率转变为热功率[3],巨大的热量会降低其工作性能和可靠性[4-6]。液冷冷板是液冷散热系统中起到换热作用的关键部件。影响液冷冷板换热效能的因素很多,包括流道形式、流道截面尺寸、进出液口位置,冷却液种类、流速、流量等[7-8]。其中,冷板内部流道形式对于系统散热效能有重要影响。

相控阵阵面的温度分布差异(阵面温度一致性)对各个T/R组件相位一致性影响显著[9-10],相位一致性差会导致产品性能下降。因此,在散热的同时保持阵面温度的均匀分布尤为重要。本文基于Icepak热分析软件,针对相控阵雷达阵面散热问题,以液冷冷板流道形式为研究对象,开展了仿真设计和分析优化,设计了一种反向并行流道形式的液冷冷板,并将其与S型、分支型流道冷板进行了散热效能仿真对比。

1 Icepak仿真理论与模型构建

1.1 Icepak仿真理论

热仿真分析软件Icepak适用于电子设备电路板级和系统级热仿真,以及发热和散热分析。集成了壳体、印制电路板(PCB)、风扇、散热器等常用模型和丰富的材料库,可模拟强迫对流、传导、流固耦合传热等多种传热形式[11]。

液冷冷却属于不可压缩、常物性、无内热源的三维对流传热问题[12]。对液体介质做传热仿真分析时,需要作如下假设[8]:

a)流体物性参数为常数;

b)流体为不可压缩的无间隙连续介质;

c)忽略辐射散热和自然对流的影响;

d)流体为单相流体;

e)不考虑热源与冷板间的接触热阻。

液冷冷却过程中发生的热交换可根据牛顿冷却公式计算,热交换量Q表达式为

式中:h为换热系数;A为换热面积;T1和T2分别为出口和进口处的冷却液温度。

1.2 Icepak液冷散热仿真模型构建

三维几何模型可通过Geometry-Design Modeler软件转化为Icepak的可识别模型,导入Icepak后设置环境参数、热参数、边界条件和求解参数等,进行建模求解。Icepak提供了Hexa Unstructured、Hexa Cartesia、Mesher-HD三种网格类型,通过对局部网格进行加密、划分连续与非连续网格,控制网格质量。用CFD-Fluent求解器进行求解,当求解残差值达到收敛标准或迭代次数等于预设迭代次数时,认为计算收敛并结束求解。

典型液冷系统的工作原理如图1所示。液泵将冷却液从储箱压入冷板,迫使冷却液循环流动,热源传递给冷板的热量由冷却液带入换热器,换热器通过风扇将冷却液的热量耗散到大气中,降温之后的冷却液继而流回储箱。

图1 典型液冷冷却系统工作原理图

仿真模型中,相控阵冷板是直径为200mm、厚度为10mm的薄圆柱体,冷却液进口、出口各两个。冷板表面均匀分布着直径为4.5mm的接插件预留孔,布置冷板内部流道需避开接插件预留孔。热源(T/R组件)简化为厚2mm的薄片,热源表面与冷板表面紧密贴合,如图2所示。冷板和热源材质选择Al-2024-T6铝合金,冷却液选择纯水,Al-2024-T6铝合金和纯水的主要物性参数见表1。仿真中环境温度与冷却液初始温度恒为20℃。

在后处理中,提取热源的最低温度TL、最高温度TH、平均温度TM、温度分布标准差σ和温度分布云图作为冷板散热效能评判指标。其中,温度分布标准差σ的表达式为

式中:Ti为各测量点温度;n为测量点数量。σ越小,说明区域内各点温度越趋近于平均温度,即温度一致性越好。

图2 冷板及热源结构示意图

表1 纯水与Al-2024-T6铝合金的主要物性参数

2 反向并行流道形式液冷冷板

学者们研究和对比了多种形式流道冷板的散热效能,包括S型、平行型、分支型、网格型、菱形、螺旋形等流道排布形式[5,13]。采用这些流道形式的冷板所无法避免的一个问题是冷板不同区域温度差异显著。其原因是冷却液在流动过程中温度不断升高,换热能力逐渐弱化,在流道末段难以有效起到换热作用。冷却效果相对流道初段变差,导致冷板散热一致性不佳。

为解决上述问题,设计了图3所示的反向并行流道冷板。该冷板有两条互不联通的流道围绕着预留孔盘绕分布,两条流道互相平行且冷却液流向相反。流道1的初段与末段分别对应着流道2的末段与初段,一条流道换热能力的强区域与弱区域分别对应着另一条流道的弱区域与强区域。两条流道的换热能力互为补充,有利于平衡冷板散热能力差别和提高温度一致性。

图3 反向并行流道冷板示意图

3 三种流道形式冷板散热效能对比

3.1 对照组流道冷板设计

为对比分析反向并行流道冷板的散热效能,另外设计了S型流道和分支型流道两种冷板,示意图分别见图4和图5。三种冷板外形尺寸相同,均包含两条互不连通的流道,流道截面均为2mm×6mm的矩形。

图4 S型流道冷板示意图

图5 分支型流道冷板示意图

3.2 Icepak热仿真模型构建

将热源、冷板和流道模型导入至Icepak中,建立三种冷板的换热效能仿真模型。设置热源功率为2kW,冷却液流量分为1,2,3,4,5L/min共5个梯度。采用Mesher-HD方法划分网格并进行优化,最终得到网格数量约80万个。计算模型设置为Turbulent中的Zero Equation。开始求解后经过约100次迭代,检测得到的热源温度、冷却液出口温度趋于稳定,残差值达到收敛标准,求解过程结束。在后处理中提取三种冷板的TL、TH、TM和σ,如图6所示。仿真得到的冷却液流量3L/min时的典型热源温度分布云图如图7所示。

3.3 热仿真结果分析

由仿真结果分析可得:

a)随着冷却液流量的递增,热源温度不断下降,同时降幅逐渐趋缓,说明冷却液流量的增加能够提升散热效能,但流量增加到一定程度后,散热效能的提升将不再显著;

b)热源温度分布云图表明三种类型流道冷板的散热能力都存在着“强区”、“弱区”,S型流道冷板的上下两端、反向并行流道冷板的中心区域存在较小的高温区,反向并行流道冷板的高温区温度更低且面积更小,而分支型流道冷板的高温区温度高且面积大;

c)任一流量条件下,反向并行流道的温度分布标准差σ显著低于S型和分支型流道,说明在反向并行流道冷板冷却的条件下,热源的点温度最趋近于热源平均温度,其散热均温性能最优。

4 结束语

本文针对相控阵雷达T/R组件散热问题,以阵面温度和温度分布标准差σ(温度分布一致性)为主要指标,对于液冷冷板流道设计进行了仿真研究。设计了一种具有流道散热能力互为补充特点的反向并行流道冷板,并将其与S型、分支型流道冷板进行了散热效能仿真对比。仿真结果表明:反向并行流道冷板具有良好的散热效能和最佳的阵面温度分布一致性,为相控阵雷达阵面液冷冷板的均温性设计提供了参考。