王棟棟，劉復(fù)興，張榮，楊金堂

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081；3.寶武集團(tuán)鄂城鋼鐵有限公司煉鋼廠，湖北鄂州 436099；4.武漢東湖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430212)

0 前言

紅外相機(jī)是一種運(yùn)用光學(xué)成像物鏡接收物體的紅外輻射能量分布，反映到光敏元件上，獲得可見(jiàn)的紅外熱圖像采集的電子設(shè)備。紅外相機(jī)在夜場(chǎng)監(jiān)控、高溫測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是其正常工作的環(huán)境溫度為-10～50 ℃，為了在某些高溫環(huán)境場(chǎng)合能夠使用，需要針對(duì)性地設(shè)計(jì)紅外相機(jī)的冷卻方式及裝置。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這類電子設(shè)備的冷卻研究并不多。湯魁利用熱電冷卻效應(yīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)監(jiān)控?cái)z像機(jī)散熱裝置，能夠保持?jǐn)z像機(jī)防護(hù)罩內(nèi)部的溫度在一定范圍內(nèi)，在室外40 ℃高溫環(huán)境下，保護(hù)罩內(nèi)部平均溫度達(dá)到27 ℃，在70 ℃高溫環(huán)境下，保護(hù)罩內(nèi)部平均溫度達(dá)到約50 ℃。張平和唐良寶研發(fā)出一種實(shí)現(xiàn)空空熱交換的裝置，能夠讓電子設(shè)備在地劣環(huán)境中穩(wěn)定并持久地工作。楊祺等人對(duì)紅外窗口進(jìn)行了主動(dòng)冷卻和被動(dòng)熱防護(hù)的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了主動(dòng)冷卻技術(shù)在紅外窗口應(yīng)用的可行性。韓海銀等表明在發(fā)熱功率增大的情況下，大功率電子器件的散熱器溫度下降趨勢(shì)隨著入口流量的增大而減小。包冰國(guó)利用高效逆流冷卻塔技術(shù)保證了冷卻塔長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠、高效運(yùn)行。STAFFORD和FORTUNE通過(guò)研究軸流風(fēng)扇的氣流動(dòng)力特性，推斷出散熱出口形狀可以影響風(fēng)扇氣流以及散熱量的結(jié)論。NARCY等研究?jī)上嗌崞髟陔娮永鋮s中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在散熱器內(nèi)部，由于流體被限制引起了受限的沸騰現(xiàn)象。ARANZABAL等提出了一個(gè)比較傳統(tǒng)的單相水/乙二醇液體和創(chuàng)新兩相冷卻技術(shù)，用于汽車領(lǐng)域。

基于以上研究，針對(duì)某型號(hào)紅外相機(jī)設(shè)計(jì)一種三態(tài)隔熱冷卻裝置的結(jié)構(gòu)。區(qū)別于常用的單一冷卻方式，其創(chuàng)新點(diǎn)在于結(jié)合了隔熱材料、水冷卻、空氣冷卻三層措施，并且設(shè)計(jì)特定的流體通道，增大換熱面積，從而使裝置更好地起到隔熱降溫的作用。除此之外，該裝置還具有一定的自潔功能，能夠代替普通人工清潔石英玻璃。對(duì)冷卻裝置的隔熱冷卻效果進(jìn)行傳熱仿真分析，驗(yàn)證是否能滿足內(nèi)部空間溫度在50 ℃以下。

1 三態(tài)隔熱冷卻裝置的設(shè)計(jì)

在沒(méi)有隔熱冷卻裝置時(shí)，相機(jī)直接暴露在環(huán)境溫度下工作時(shí)，如圖1(a)所示。紅外相機(jī)產(chǎn)生的熱量與周圍環(huán)境的熱量進(jìn)行交換，最終達(dá)到平衡。當(dāng)環(huán)境溫度高于50 ℃時(shí)，平衡點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度過(guò)高，會(huì)造成相機(jī)性能嚴(yán)重下降甚至燒毀相機(jī)。本文作者認(rèn)為，高溫環(huán)境下相機(jī)的冷卻首先要隔絕外部環(huán)境的熱量，原理如圖1(b)所示，通過(guò)端蓋開(kāi)合將紅外相機(jī)放入三態(tài)隔熱冷卻裝置內(nèi)部，隔絕外界高溫環(huán)境的熱量。

圖1 原理示意

本文作者設(shè)計(jì)了一套符合圖1(b)示意的三態(tài)隔熱冷卻裝置。圖2所示為針對(duì)某型號(hào)的紅外相機(jī)而設(shè)計(jì)的帶有支架的三態(tài)隔熱冷卻裝置外觀，該裝置呈圓筒形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為對(duì)稱形式。

圖2 三態(tài)隔熱冷卻裝置外觀

圖3所示為三態(tài)隔熱冷卻裝置中隔熱冷卻結(jié)構(gòu)的半剖面圖。該裝置主要特點(diǎn)：

(1)按照先阻滯熱量傳遞再進(jìn)行冷卻降溫的思路，該裝置由外到內(nèi)依次是隔熱材料層、水冷卻層、空氣冷卻層，隔熱材料層通過(guò)RFC異型隔熱件極低的導(dǎo)熱系數(shù)能夠阻滯外界高溫環(huán)境的熱量傳遞；

(2)水冷卻層是該裝置的核心冷卻層，通過(guò)設(shè)計(jì)好的特殊水流通道，讓冷卻水能夠環(huán)繞地往返流動(dòng)，最大限度地帶走部分外界環(huán)境傳遞進(jìn)來(lái)的熱量；

(3)單一方向的空氣流動(dòng)，能帶走少部分熱量，同時(shí)，通過(guò)環(huán)形分布的出氣口，能對(duì)石英玻璃起到清潔的作用。

圖3 隔熱冷卻結(jié)構(gòu)

該裝置中的線路通孔是套有隔熱管的數(shù)據(jù)線和電源線連接內(nèi)部設(shè)備和外部設(shè)備的通道，三態(tài)隔熱冷卻裝置的內(nèi)部空間基本可以視為相對(duì)封閉。為了在300 ℃的工作環(huán)境中把裝置相對(duì)封閉的內(nèi)部空間溫度降低到50 ℃以下并保持玻璃的潔凈度，使紅外相機(jī)正常工作，環(huán)形隔熱層材料由RFC異型隔熱件造型而來(lái)，在零件連接過(guò)程中安裝在隔熱材料層；RFC異型隔熱件由玻璃纖維和高溫樹(shù)脂復(fù)合，經(jīng)過(guò)特殊發(fā)泡工藝形成，是一種新型的高溫隔熱異型制品，其導(dǎo)熱系數(shù)非常低，為29～32 mW/(m·K)，可任意造型，按照需求做成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隔熱件，非常符合復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及較薄的隔熱場(chǎng)合。

流體流動(dòng)的過(guò)程具體如下：

(1)冷卻水從進(jìn)水口流入，流進(jìn)環(huán)形的冷卻水第一層通道，經(jīng)冷卻水第一層通道與冷卻水第二層通道之間的鍵形孔，流入環(huán)形的冷卻水第二層通道中，冷卻水再經(jīng)過(guò)出水口流出；

(2)空氣由進(jìn)氣口進(jìn)入，流經(jīng)環(huán)形的空氣冷卻層，再由石英玻璃附近的多個(gè)出氣口流出;當(dāng)裝置未工作時(shí)，可單獨(dú)將壓縮空氣的氣管與進(jìn)氣口連接并增大進(jìn)氣壓力，通過(guò)石英玻璃旁的出氣口流出的空氣會(huì)對(duì)玻璃表面進(jìn)行清潔。

2 數(shù)值計(jì)算理論及湍流模型選擇

2.1 流體控制方程

三態(tài)隔熱冷卻裝置內(nèi)水、空氣的流動(dòng)情況和傳熱模擬計(jì)算是個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，需通過(guò)CFD進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。傳熱模擬計(jì)算遵循流體三大方程，具體如下所示：

(1)質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)：

(1)

式(1)為質(zhì)量守恒方程的一般形式，可用于可壓縮流體和不可壓縮流體的計(jì)算。式中：為流體微元的密度；為時(shí)間；為流體速度；源項(xiàng)為分散的從第二相中或者任何其他定義的源添加到連續(xù)相的質(zhì)量。

(2)動(dòng)量守恒方程：

(2)

此動(dòng)量守恒方程是在慣性系中的動(dòng)量守恒描述，式中：為靜態(tài)壓力；為應(yīng)力張量；為物理模型中其他源項(xiàng)。

(3)能量守恒方程:

(3)

自然界目前只存在3種基本的傳熱方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流是該裝置存在的主要傳熱現(xiàn)象。式中：為流體微元溫度；為流體傳熱系數(shù)；為定壓比熱容；為黏性耗散源。

2.2 湍流模型

湍流模型經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，已具有一定的預(yù)測(cè)能力，但是至今沒(méi)有得到有效的、統(tǒng)一的湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)-模型自從被LAUNDER和SPALDING提出后，就成為工程流體計(jì)算的主要工具，適用于邊界層、射流、尾跡流等的模擬，對(duì)強(qiáng)分離流、強(qiáng)壓力梯度和大曲率的流動(dòng)、缸內(nèi)湍流等的預(yù)測(cè)能力較弱。Rerlizable-模型是在標(biāo)準(zhǔn)-模型基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)完善和提升得到的，該模型為湍流黏性增加了一個(gè)可用公式并且為耗散率提供了新的傳輸方程；Rerlizable-模型對(duì)圓柱射流、旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、二次流等的預(yù)測(cè)更精確。利用Rerlizable-模型可更好地描述文中所述裝置中水和空氣的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。

3 CFD傳熱數(shù)值仿真

3.1 三維計(jì)算域模型處理

三態(tài)隔熱冷卻裝置整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在數(shù)值仿真計(jì)算中會(huì)增加很多不規(guī)則網(wǎng)格的數(shù)量，導(dǎo)致計(jì)算量大大增加。文中的研究核心是三態(tài)隔熱冷卻裝置中內(nèi)部空間的溫度分布，檢測(cè)內(nèi)部空間溫度是否滿足紅外相機(jī)工作溫度低于50 ℃的要求。因此，必須對(duì)原裝置模型按照研究核心的方向進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，同時(shí)忽略對(duì)流體流動(dòng)和傳熱影響較小的結(jié)構(gòu)，以減少計(jì)算量，得到所需要的數(shù)據(jù)。用COMSOL自帶的穩(wěn)態(tài)傳熱模塊中的Rerlizable-模型模塊導(dǎo)入簡(jiǎn)化后的模型，其半截面如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型半截面簡(jiǎn)化圖

由于內(nèi)部空間的紅外相機(jī)以及對(duì)應(yīng)的安裝支架對(duì)內(nèi)部空間的溫度幾乎沒(méi)影響，在圖4所示的計(jì)算模型中選擇去掉以減少計(jì)算時(shí)間。在簡(jiǎn)化后的計(jì)算模型中，流體區(qū)域有空氣域和水域，由圓筒固體區(qū)域限制而成，裝置底部有一個(gè)進(jìn)氣口，石英玻璃附近有9個(gè)出氣口，呈圓形分布相互錯(cuò)開(kāi)；進(jìn)水口和出水口則分別位于裝置后端的底部和頂部。

3.2 網(wǎng)格劃分

圖5所示為整個(gè)裝置計(jì)算域的網(wǎng)格劃分，固體域采用常規(guī)大小的網(wǎng)格，在其他區(qū)域以及流體域相關(guān)的邊界進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以提高仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖5 計(jì)算模型網(wǎng)格

3.3 邊界條件

進(jìn)水口流速為3 m/s、進(jìn)氣口流速為1 m/s，9個(gè)小出氣口和出水口為壓力出口，出口壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，進(jìn)口流體的溫度都為20 ℃。

表1所示為設(shè)置的普通鋼、隔熱材料、石英材料的導(dǎo)熱系數(shù)。水、空氣的導(dǎo)熱系數(shù)則選用COMSOL材料庫(kù)自帶的隨溫度壓力變化的導(dǎo)熱系數(shù)表達(dá)方式。

表1 相關(guān)材料導(dǎo)熱系數(shù)

裝置壁面以及石英玻璃壁面設(shè)置為wall，COMSOL傳熱模塊系統(tǒng)有自帶的環(huán)境與圓筒薄面自然對(duì)流換熱的選項(xiàng)，設(shè)置圓筒長(zhǎng)高度為0.243 m、圓柱直徑為0.136 m，在環(huán)境熱屬性參數(shù)中，環(huán)境溫度設(shè)置為300 ℃，整個(gè)計(jì)算模型涉及的邊界條件具體如表2所示。

表2 邊界條件名稱及類型

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 流體的流速對(duì)內(nèi)部空間平均溫度的影響

在圓筒結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料不變的情況下，進(jìn)口的流體速度是影響內(nèi)部空間溫度的最主要因素。由于冷卻水是最常用的冷卻方式，以冷卻水的進(jìn)口流速為例，在進(jìn)氣口流速為1 m/s的條件下，取內(nèi)部空間的平均溫度為參考對(duì)象，研究進(jìn)水口速度對(duì)內(nèi)部空間平均溫度的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 內(nèi)部空間平均溫度變化曲線

由圖6可知：當(dāng)進(jìn)水口流速增大，內(nèi)部空間的平均溫度變?。划?dāng)進(jìn)水口流速約小于3 m/s時(shí)，內(nèi)部空間平均溫度下降幅度較大；當(dāng)進(jìn)水口流速約大于3 m/s時(shí)，內(nèi)部空間平均溫度下降幅度趨向于平緩。適當(dāng)增大進(jìn)水口流速可提高裝置的隔熱冷卻效果，根據(jù)圖6可取進(jìn)水口流速為3 m/s、進(jìn)氣口流速為1 m/s來(lái)研究?jī)?nèi)部空間具體的溫度分布。

4.2 不同冷卻措施對(duì)內(nèi)部空間平均溫度的影響

在不改變第4.1節(jié)結(jié)論的情況下，以存在的措施對(duì)內(nèi)部空間平均溫度的影響作比較，結(jié)果如表3所示。

表3 不同措施對(duì)內(nèi)部空間平均溫度的影響

當(dāng)只有隔熱材料層時(shí)，由于隔熱材料層只起阻滯熱量傳遞的作用，隨著時(shí)間的推移，其內(nèi)部空間的溫度最后會(huì)達(dá)到與環(huán)境溫度一樣的300 ℃。在冷卻性能方面，冷卻水層是冷卻效果最好的一層，空氣冷卻層除了承擔(dān)部分冷卻作用，還起到非常重要的自潔石英玻璃的作用。因此，結(jié)合3種方式對(duì)紅外相機(jī)所處的內(nèi)部空間進(jìn)行降溫。

4.3 特殊設(shè)計(jì)的水通道中湍流狀態(tài)

為最大化提高裝置的冷卻效果，本文作者針對(duì)水冷卻層設(shè)計(jì)了特殊通道，不但可以使水流由裝置尾部進(jìn)入，流經(jīng)裝置頭部后再流回裝置尾部流出，盡可能地多帶走熱量，而且可以讓水流在通道內(nèi)形成環(huán)形繞流，從而達(dá)到破壞邊界層、增加湍流度、提高換熱效率的作用。對(duì)照?qǐng)D3所示的冷卻結(jié)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)水口流速為3 m/s時(shí)，水通道中部分流線如圖7所示。

圖7 水通道流線

由圖7可看到：進(jìn)水口進(jìn)入的水流在通道里做非常明顯的環(huán)流運(yùn)動(dòng)；在水流通道內(nèi)，距離進(jìn)水口越遠(yuǎn)，環(huán)流的狀態(tài)越不明顯且流速就越小；同時(shí)間段內(nèi)，水流在通道前半段的換熱效果優(yōu)于在通道后半段的換熱效果。

4.4 內(nèi)部空間溫度分布

經(jīng)過(guò)上述研究，本文作者在結(jié)合3種隔熱冷卻方式基礎(chǔ)上，確定以水流速3 m/s、空氣流速1 m/s作為起始條件，分析內(nèi)部空間表面以及內(nèi)部的溫度分布云圖是驗(yàn)證裝置隔熱冷卻效果最直接、有效的方式。內(nèi)部空間邊界溫度的分布如圖8所示。

圖8 內(nèi)部空間邊界溫度的分布

由于隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，隔熱效果好，水和空氣與裝置發(fā)生較大的熱量交換，導(dǎo)致內(nèi)部空間的溫度較低，內(nèi)部空間的邊界溫度分布呈中間低、兩端略高的分布狀態(tài)。其中，最高溫度出現(xiàn)在接觸端蓋壁面的前端表面，可達(dá)到48 ℃。這是由于中間部分的空氣完全處于環(huán)形的隔熱材料層、水冷層和風(fēng)冷層的三層冷卻作用下，而兩端的空氣則是直接與石英玻璃以及端蓋接觸，其溫度必然會(huì)高于內(nèi)部空間中間的溫度。即導(dǎo)致內(nèi)部空間的空氣溫度升高的熱量主要來(lái)源于兩端的石英玻璃壁面和端蓋壁面?zhèn)鬟f的熱量。

圖9所示為內(nèi)部空間截面的溫度分布云圖?？芍鹤罡邷囟瘸霈F(xiàn)在靠近石英玻璃的球形局部空間，可達(dá)48.8 ℃，但是并未出現(xiàn)在紅外相機(jī)的主要位置范圍內(nèi)，參照?qǐng)D3紅外相機(jī)的位置可知，這對(duì)紅外相機(jī)的正常工作不會(huì)產(chǎn)生影響。其余空間溫度低于50 ℃，最低溫度出現(xiàn)在內(nèi)部空間的中心處，低至33.4 ℃，完全滿足紅外相機(jī)正常工作的條件。

圖9 內(nèi)部空間溫度的ZX截面

5 結(jié)論

(1)從紅外相機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合的需求出發(fā)，相比于傳統(tǒng)單一方式的冷卻裝置，本文作者結(jié)合隔熱材料、水冷、風(fēng)冷3種方式，設(shè)計(jì)了一款適用某型號(hào)紅外相機(jī)的三態(tài)隔熱冷卻裝置。其中，特殊設(shè)計(jì)了水通道，與傳統(tǒng)S形分布的圓形管道相比，它極大地增強(qiáng)了換熱效果，空氣通道的設(shè)計(jì)不但能夠起到相應(yīng)的冷卻作用，還能夠起到石英玻璃自潔的作用。

(2)通過(guò)CFD軟件進(jìn)行驗(yàn)證，在300 ℃的外部環(huán)境溫度下，以進(jìn)水口流速為3 m/s、進(jìn)氣口流速為1 m/s以及流體溫度20 ℃為條件，詳細(xì)分析了影響換熱效果的各個(gè)因素，并通過(guò)裝置外表面和內(nèi)部空間的溫度分布情況，得出紅外相機(jī)所在的內(nèi)部空間溫度最高點(diǎn)為48.8 ℃、最低點(diǎn)為33.4 ℃，在紅外相機(jī)正常工作的溫度條件內(nèi)。

(3)在實(shí)際應(yīng)用中，如果隔熱冷卻裝置外部環(huán)境低于300 ℃，可適當(dāng)降低進(jìn)水口流速和進(jìn)氣口流速，以間接調(diào)節(jié)三態(tài)隔熱冷卻裝置的隔熱冷卻效果，在保證紅外相機(jī)正常的工作環(huán)境溫度前提下，節(jié)約水電資源。