呂 芳， 姜建中， 貢毅超， 張 巖

（1.軍事科學(xué)院國防工程研究院， 北京 100000；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所， 山西 太原 030032）

引言

屏蔽室通風(fēng)設(shè)計是為了在散熱、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)中執(zhí)行國家經(jīng)濟政策，采用先進(jìn)技術(shù)，合理利用資源和節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，保證健康舒適的工作和生活環(huán)境[1-3]。

本次屏蔽室通風(fēng)仿真設(shè)計根據(jù)總體要求，以某項目屏蔽室為研究對象，屏蔽室大小（長×寬×高）為6 500 mm×4 000 mm×3 000 mm，提出了五種較為常見的通風(fēng)方式，通過研究各布置方式出風(fēng)量的變化，為今后的工程應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù)。圖1 為該屏蔽室外觀。

圖1 屏蔽室外觀

1 屏蔽室通風(fēng)設(shè)計理論基礎(chǔ)

屏蔽室通風(fēng)設(shè)計主要是指對屏蔽室內(nèi)部的通風(fēng)量進(jìn)行設(shè)計，其理論基礎(chǔ)為流體力學(xué)。本次屏蔽室熱設(shè)計使用CFD 軟件ANSYS Icepak 軟件對屏蔽室通風(fēng)進(jìn)行仿真設(shè)計。

1.1 CFD 仿真基礎(chǔ)

計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）主要通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示的方法，求解流體力學(xué)和傳熱學(xué)等，在空間和時間上定量描述各物理量的數(shù)值解，從而達(dá)到對相關(guān)物理現(xiàn)象進(jìn)行分析研究的目的[4-5]。其基本思想為：將時間和空間上連續(xù)的各物理量，如速度場、溫度場、壓力場等，用有限個離散單元上的變量值來替代，通過隱式方程建立有限個離散單元上變量之間的代數(shù)方程組，求解代數(shù)方程組，以獲得各物理場的近似值[6-7]。

ANSYS Icepak 使用隱式計算的方法，利用的連續(xù)性方程（Continuity Equation，也稱質(zhì)量守恒方程）為：

動量守恒方程（Momentum Conseravation Equation，也稱Navier-Stokes）：

X 方向動量：

Y 方向動量：

Z 方向動量：

式中：u、v、w 為X、Y、Z 三個方向的速度；Su、Sv、Sw為動量守恒方程的廣義源項。

能量守恒方程為：

式中：Cp為比熱容；T 為溫度；ST為黏性耗散項。

1.2 自然對流模型選擇

ANSYS Icepak 提供兩類自然對流模型：一種模型為Boussinesq approximation，稱為布辛涅斯克近似；另一種模型為Ideal gas law，即理想氣體方程。

1）Boussinesq approximation：布辛涅斯克近似模型在自然對流控制方程中，動量方程浮力項中的密度是溫度的線性函數(shù)，而其他所有求解方程中的密度均假設(shè)為常數(shù)。浮力項中的密度公式為：

式中：ρ∞為周圍環(huán)境的空氣密度；t∞為周圍環(huán)境的空氣溫度；β 為周圍環(huán)境空氣的膨脹系數(shù)。

Boussinesq approximation 是ANSYS Icepak 默 認(rèn)的自然對流模型，適用于大部分電子產(chǎn)品的自然散熱模擬計算。

2）Ideal gas law：當(dāng)流體密度變化非常大時，使用Ideal gas law 理想氣體方程。由于屏蔽室內(nèi)部通風(fēng)流體密度變化較小，因此本次仿真使用Boussinesq approximation 對流模型。

2 屏蔽室通風(fēng)設(shè)計方案

2.1 冷卻方式選擇

屏蔽室采用通風(fēng)散熱的方式將內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行冷卻，冷卻方法主要是根據(jù)期間的熱流密度和溫升要求進(jìn)行選擇[8]，可參考圖2 進(jìn)行。

圖2 冷卻方法的合理選擇

從圖2 中可以看出，本次研究的屏蔽室由于空間較大，且主要屏蔽材料均為金屬材料，因此，綜合考慮成本與維護(hù)便利性，采用強迫空氣冷卻的方法進(jìn)行選擇。研究風(fēng)扇布置方式，從而盡可能加大排風(fēng)量，對促進(jìn)屏蔽室熱設(shè)計有著現(xiàn)實意義。

2.2 風(fēng)扇布置方式

本次研究五種風(fēng)扇布置方式下屏蔽室通風(fēng)量大小，目的是研究五種風(fēng)扇布置方式時，改變出風(fēng)口位置對通風(fēng)量的影響。屏蔽室大?。ㄩL×寬×高）為6 500 mm×4 000 mm×3 000 mm，風(fēng)扇采用EBMW6D800-GD01 風(fēng)機，風(fēng)機布置方式為4 個風(fēng)機上下兩排呈2×2 陣列布置形式，該風(fēng)機的流量揚程曲線如圖3所示。

圖3 風(fēng)機流量- 揚程曲線

出風(fēng)口波導(dǎo)窗為Φ3.2 mm 波導(dǎo)，規(guī)格尺寸為800 mm×600 mm，開孔率為81%。波導(dǎo)窗由于有安裝法蘭，法蘭距離為50 mm，因此兩個通風(fēng)波導(dǎo)的最近距離為100 mm。波導(dǎo)窗安裝孔距離為75 mm，因此，通風(fēng)波導(dǎo)設(shè)計調(diào)整距離均為75 mm 的整數(shù)倍。據(jù)此分析以下五種通風(fēng)設(shè)計方案，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2.1 方案一

風(fēng)機布置在側(cè)墻背面，與出風(fēng)口相對布置，該方式布置風(fēng)阻最小，具體布置方式如圖4 所示。將兩邊的波導(dǎo)窗依次從與中間的波導(dǎo)窗相距100 mm 沿橫向擴張到1 750 mm。

圖4 方案一

波導(dǎo)窗出風(fēng)口風(fēng)速與質(zhì)量流密度如圖5 所示，依次向兩邊移動75 mm，處理各出風(fēng)口仿真數(shù)據(jù)后，得到的出風(fēng)口風(fēng)量變化曲線如圖5 所示。

由圖5 可以看到，出風(fēng)口出風(fēng)量與距離的函數(shù)滿足二次方程，對該二次方程求導(dǎo)可得y'=1.2×10-6x- 0.001，可以據(jù)此分析出風(fēng)量隨距離變化的變化率。在達(dá)到1 000 mm 后，出風(fēng)量隨距離的增大基本不變，|y'|≤0.002。

圖5 方案一出風(fēng)量變化曲線

2.2.2 方案二

方案二進(jìn)風(fēng)口風(fēng)機位置與方案一相同，出風(fēng)口設(shè)置為將兩邊的波導(dǎo)窗依次從與中間的波導(dǎo)窗相距100 mm 沿縱向擴張到550 mm，如圖6 所示。

圖6 方案二

波導(dǎo)窗出風(fēng)口風(fēng)速與質(zhì)量流密度如圖7 所示，依次向上下兩邊移動75 mm，分析仿真結(jié)果，出風(fēng)周圍的波導(dǎo)窗風(fēng)速逐漸減小，中間出風(fēng)口速度逐漸增大，風(fēng)速從垂直出門面逐漸變?yōu)橛幸欢ń嵌认蛏舷聝蛇厰U散。統(tǒng)計各出風(fēng)口出風(fēng)量，得到的出風(fēng)口總風(fēng)量變化如圖7 所示。

圖7 方案二出風(fēng)量曲線

由圖7 可以看到，出風(fēng)口出風(fēng)量與距離的函數(shù)滿足三次方程，對該三次方程求導(dǎo)可得y'=6×10-8x2-4×10-5x+0.004，可以據(jù)此分析出風(fēng)量隨距離變化的變化率。在175～450 mm 之間變化率較大，其他位置出風(fēng)量隨距離的增大基本不變，|y'|≤0.001 85。

2.2.3 方案三

風(fēng)機布置在側(cè)墻背面，與出風(fēng)口相對布置，該方式布置風(fēng)阻最小，將兩邊的波導(dǎo)窗依次從與中間的波導(dǎo)窗相距100 mm 沿縱向與橫向分別擴張到550 mm，如圖8 所示。

圖8 方案三

波導(dǎo)窗出風(fēng)口風(fēng)速與質(zhì)量流密度如圖9 所示，依次向上、下、左、右四個方向分別移動75 mm，分析仿真結(jié)果，出風(fēng)都集中在中間的通風(fēng)波導(dǎo)窗上，向四周分散的波導(dǎo)窗明顯較方案一、方案二風(fēng)阻大，向四周擴散的出風(fēng)口較前兩種方案流量下降更快，前三種方案的風(fēng)阻差別不大，都是適合在正對入風(fēng)口和出風(fēng)口的位置布置發(fā)熱設(shè)備的風(fēng)道布置方式，但除了正對的位置，其他部位換氣量較小。對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到出風(fēng)口總風(fēng)量變化如圖9 所示。

圖9 方案三出風(fēng)量曲線

由圖9 可以看到，出風(fēng)口出風(fēng)量與距離的函數(shù)滿足二次方程，對該二次方程求導(dǎo)可得y'=2×10-6x-0.002，可以據(jù)此分析出風(fēng)量隨距離變化的變化率。在100～550 mm 之間變化率基本呈線性關(guān)系，出風(fēng)量隨距離的增大而減小，|y'|≤0.000 9。

2.2.4 方案四

風(fēng)機布置在頂部墻面的中后部，出風(fēng)口布置在側(cè)墻上。將兩邊的波導(dǎo)窗依次從與中間的波導(dǎo)窗相距100 mm 沿橫向擴張到1 750 mm，如圖10 所示。

圖10 方案四

波導(dǎo)窗出風(fēng)口風(fēng)速與質(zhì)量流密度如下頁圖11 所示，依次向左、右兩邊分別移動75 mm，方案四布置風(fēng)速隨著波導(dǎo)窗距離的增加而不斷增大，出風(fēng)角度相較之前的三種方案顯得更加復(fù)雜，向四周擴散開，出風(fēng)量也沒有明顯規(guī)律，該布置方式風(fēng)阻較大，適合在內(nèi)部空間較大時使用，且出風(fēng)口盡量分散布置。對仿真結(jié)果進(jìn)行計算，得到出風(fēng)口總風(fēng)量變化如圖11 所示。

圖11 方案四出風(fēng)量曲線

由圖11 可以看到，出風(fēng)口出風(fēng)量與距離的函數(shù)滿足二次方程，對該二次方程求導(dǎo)可得y'=3.28×10-7x+3.99×10-4，可以據(jù)此分析出風(fēng)量隨距離變化的變化率。在100～1 750 mm 之間變化率基本呈線性關(guān)系，出風(fēng)量隨距離的增大而增大，|y'|≤0.000 431 8。

2.2.5 方案五

風(fēng)機布置在頂部墻面的側(cè)面，出風(fēng)口布置在側(cè)墻上，進(jìn)出風(fēng)口呈90°布置。將兩邊的波導(dǎo)窗依次從與中間的波導(dǎo)窗相距100 mm 沿橫向擴張到1 750 mm，如圖12 所示。

圖12 方案五

方案五布置風(fēng)速隨著波導(dǎo)窗距離的增加呈現(xiàn)振蕩波動，出風(fēng)角度相較之前的三種方案顯得更加復(fù)雜，向四周擴散開，出風(fēng)量也沒有明顯規(guī)律，該布置方式較方案一、方案二、方案三風(fēng)阻較大，相較于方案四風(fēng)阻略小，可以在側(cè)面設(shè)備需要散熱時使用，且可以根據(jù)設(shè)備位置布置出風(fēng)口位置，而不會引起風(fēng)阻的增加。對仿真結(jié)果進(jìn)行計算，得到出風(fēng)口總風(fēng)量變化如圖13 所示。

由圖13 可以看到，出風(fēng)口出風(fēng)量與距離的關(guān)系不明顯，呈振蕩分布趨勢。將五種方案合并后觀察得到如圖14 曲線圖。

圖13 方案五出風(fēng)量曲線

圖14 五種方案出風(fēng)量曲線圖

深入分析可以發(fā)現(xiàn)，方案一和方案五的出風(fēng)量隨著距離的增大不斷減小，具體數(shù)值差距如圖15 所示。

圖15 方案一與方案五出風(fēng)量差值

由圖15 分析后可以看出，方案一和方案五布置方式出風(fēng)量逐漸接近，最終穩(wěn)定在0.21 kg/s 左右。

方案四呈上升趨勢，方案一呈下降趨勢，因此猜想方案一和方案四的風(fēng)阻均值與方案五相同，因此，做如下分析，如圖16 所示。

圖16 方案一與方案四均值與各方案趨勢圖

將方案一和方案四的均值與方案五分析可見，基本上與方案五的出風(fēng)量是重合的。

3 結(jié)論

1）通過對五種方案進(jìn)行對比得到如下規(guī)律：分析方案一、方案二、方案三可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)出風(fēng)口相對布置時，出風(fēng)量隨出風(fēng)口距離增大而減小；分析方案四可以得出，出風(fēng)量隨出風(fēng)口距離增大而增大；分析方案五可得，在按照此種方式布置進(jìn)出風(fēng)口時，出風(fēng)量與距離呈振蕩分布。

2）方案一、方案二、方案三的進(jìn)風(fēng)口布置方式風(fēng)機受到的阻力最?。环桨杆倪M(jìn)風(fēng)口布置風(fēng)機受到的阻力最大；方案五進(jìn)風(fēng)口布置風(fēng)機方式風(fēng)機受到的阻力介于方案一和方案四之間，且基本不會隨出風(fēng)口布置距離的改變發(fā)生太大的變化。因此在設(shè)計通風(fēng)時，可以將進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口按照規(guī)律合理設(shè)計，盡可能選用風(fēng)阻最小的設(shè)計方法。