呂日毅，尹大偉，錢仁軍，李 超，許瑩琪

(92728部隊，上海 200436)

0 引言

目前,電子吊艙已廣泛應用于各類機載平臺,吊艙內(nèi)部電子設備也越來越集成化,其工作期間產(chǎn)生的熱載荷易對吊艙設備的可靠性產(chǎn)生顯著影響[1]。因此,為保證吊艙內(nèi)部設備的工作環(huán)境,吊艙須裝備獨立的環(huán)控系統(tǒng)解決散熱問題[2]。

制冷方案是環(huán)控系統(tǒng)的核心,目前主要的制冷方案包括沖壓空氣通風冷卻、逆升壓空氣循環(huán)制冷和蒸發(fā)循環(huán)制冷等[3]。其中,沖壓空氣通風冷卻直接采用飛機飛行時的沖壓空氣來冷卻電子設備[4],應用廣泛,結(jié)構(gòu)簡單,具有簡潔、經(jīng)濟、可靠等優(yōu)點。逆升壓式空氣循環(huán)制冷在英國TIALD吊艙環(huán)控系統(tǒng)有較為成熟的應用[5];余建祖等[6]提出了一種帶回冷器的逆升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng),增大了環(huán)控系統(tǒng)的制冷量;肖曉勁等[7]提出了以電機為輔助動力源驅(qū)動的逆升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng),解決了小流量下制冷能力弱的問題;繩春晨等[8]和羅高喬等[9]對逆升壓式吊艙渦輪冷卻器變工況特性開展了研究,獲得動力輪進口壓力變化對環(huán)控系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。蒸汽循環(huán)冷卻以美國LANTIRN吊艙環(huán)控系統(tǒng)為代表[10],國內(nèi)起步稍晚,王瑩琳[11]為光電吊艙的蒸汽循環(huán)冷卻環(huán)控系統(tǒng)主要附件進行了結(jié)構(gòu)設計與性能計算,并利用地面試驗設備對系統(tǒng)的工作情況以及制冷量進行了測試。除上述方案外,噴射制冷、半導體熱電制冷片等新型制冷方案也在不斷涌現(xiàn)[12]。

在熱設計方面,劉健等[13]介紹了一種穩(wěn)定飛行狀態(tài)下吊艙內(nèi)外溫差及穩(wěn)定工作區(qū)間的計算方法,并針對光電吊艙環(huán)控系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作性能開展了仿真計算分析,驗證了方法的有效性。于昊鉦等[14]分析了機載吊艙內(nèi)部散熱影響因素,提出了一種新型的散熱結(jié)構(gòu),并基于ANSYS Icepak軟件進行了仿真驗證。

現(xiàn)有的研究多集中于吊艙環(huán)控系統(tǒng)制冷方式的原理性能、改進優(yōu)化或者吊艙內(nèi)部的熱設計等,較少有將吊艙制冷方式和內(nèi)部設備實際熱載荷相結(jié)合開展散熱效果分析。

文中采用沖壓空氣通風冷卻方式,通過簡化電子吊艙和內(nèi)部通風道模型,針對整艙在不同飛行狀態(tài)下的內(nèi)、外流場進行氣動特性仿真分析,得到整個吊艙內(nèi)、外流場的氣動數(shù)據(jù),為后續(xù)吊艙內(nèi)部電子設備與冷卻氣流的熱量交換計算提供流場數(shù)據(jù)。電子吊艙內(nèi)部設備為芯片板元件,基于傳導熱力學求得整個金屬元件的熱流密度場,進而得到整個板翅式熱交換器的熱流密度分布,并結(jié)合已有流場數(shù)據(jù),得到金屬元件和翅片被氣流帶走的熱量,實現(xiàn)對吊艙內(nèi)部散熱特性的計算分析,為機載設備的熱設計提供參考。

1 吊艙模型

文中電子吊艙采用沖壓空氣通風冷卻方式,其內(nèi)部設備及冷卻系統(tǒng)如圖1所示,通風道簡化模型如圖2所示。

圖1 電子吊艙內(nèi)部設備及冷卻系統(tǒng)模型圖Fig.1 Model diagram of internal equipment and cooling system in electronic pod

圖2 通風道簡化模型圖Fig.2 Simplified model diagram of ventilation duct

2 計算狀態(tài)選取

當飛機處于低速狀態(tài),通過進氣口進入吊艙冷卻道的氣體流量相對較小,不利于內(nèi)部設備散熱;當飛機處于高速狀態(tài),由于氣體速度較大,產(chǎn)生較大的氣動熱,使得吊艙內(nèi)的冷卻氣體溫度越高,同樣不利于內(nèi)部設備散熱。因此,結(jié)合飛機的飛行包線,分別選取高空和低空不同高度下飛機的低速和高速等典型飛行狀態(tài),具體飛行參數(shù)如下:

1)高度為9 000 m,飛行速度為330 km/h;

2)高度為100 m,飛行速度為280 km/h;

3)高度為9 000 m,飛行速度為870 km/h;

4)高度為100 m,飛行速度為760 km/h。

3 氣動特性分析

3.1 模型簡化與網(wǎng)格劃分

在飛行狀態(tài)時,要同時考慮整個吊艙的內(nèi)、外場流動特性,此時需要對整個吊艙進行建模和網(wǎng)格劃分,吊艙模型簡化如圖3所示。

圖3 飛行狀態(tài)吊艙簡化模型圖Fig.3 Simplified model diagram of pod in flight

針對簡化模型,結(jié)合計算狀態(tài)參數(shù),進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)量為350萬。整個網(wǎng)格分為內(nèi)場和外場兩個部分,保持整體成為一個連通域,氣流分別通過整艙外部和內(nèi)部通道。具體網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 整艙外場和內(nèi)場網(wǎng)格圖Fig.4 Grid diagram of external and internal fields of pod

3.2 氣動特性計算

根據(jù)不同狀態(tài)下飛機的高度值,得到高空狀態(tài)下大氣密度為0.467 1 kg/m3、溫度為-43.45 ℃、壓強為30 801 Pa,低空狀態(tài)下大氣密度為1.225 kg/m3、溫度為15 ℃、壓強為101 325 Pa。結(jié)合不同狀態(tài)下飛機的速度值,分別計算對應狀態(tài)下吊艙外部和內(nèi)部通道的氣動特性,計算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 高空不同狀態(tài)下吊艙截面壓強和速度矢量分布Fig.5 Pressure and velocity vector distribution of pod cross-section in different states at high altitude

圖6 低空不同狀態(tài)下吊艙截面壓強和速度矢量分布Fig.6 Pressure and velocity vector distribution of pod cross-section in different states at low altitude

圖5和圖6反映了不同狀態(tài)下吊艙內(nèi)外部截面壓強和速度分布,為后續(xù)內(nèi)部通道的散熱分析提供流場數(shù)據(jù)。

4 熱計算分析

4.1 模型分析

吊艙內(nèi)部散熱設備為19塊芯片安裝板,單個芯片安裝板的物理模型如圖7所示。各個芯片安裝板厚度不同,但是形狀相似。熱源位于芯片中心部位,即圖中深綠色部位?？諝庾赃M氣口進入后分上下流道,經(jīng)通風道為芯片散熱,空氣流速方向與芯片安裝板垂直?？諝馔ǖ纼?nèi)有翅片,通過翅片加強換熱。

圖7 芯片安裝板模型Fig.7 Chip mounting plate model

由于芯片安裝板的物理模型非常規(guī)則,因此使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來劃分計算區(qū)域,如圖8所示。

圖8 芯片安裝板網(wǎng)格圖Fig.8 Grid diagram of chip mounting plate

4.2 邊界條件設置

固定安裝板的兩條卡槽與冷空氣接觸面給定對流換熱邊界條件。其余外界面設置為絕熱邊界,以此保證計算條件最嚴苛,即所有的發(fā)熱功率只能由冷空氣通過翅片帶走。

4.3 對流熱系數(shù)折算

板翅式熱交換器對流換熱系數(shù)h計算經(jīng)驗公式為:

(1)

式中:λ為導熱系數(shù);D為當量直徑;Re為雷諾數(shù)。

將流場計算結(jié)果代入式(1),計算得到對流換熱系數(shù)如表1所示。

表1 不同狀態(tài)下平均對流換熱系數(shù)Table 1 Average convective heat transfer coefficient h under different states W/(m2·K)

表中的對流換熱系數(shù)是翅片表面的對流換熱系數(shù),由于在建模過程中并沒有畫出翅片的形狀,只是簡化為翅根表面,因此需要將翅片表面的對流換熱系數(shù)折算成等價的翅根表面對流換熱系數(shù)。設置翅片總表面積為A0,翅根總面積為Af,兩面積之比:β=A0/Af,結(jié)合平均翅片效率η,實際換熱系數(shù)為:h′=βηh。

4.4 結(jié)果分析

根據(jù)吊艙內(nèi)部電子設備工作工況,設定各芯片板產(chǎn)生的熱量,將前述流場數(shù)據(jù)導入熱力學計算模型,計算各狀態(tài)下芯片安裝板的溫度場,以圖7中的芯片安裝板為例,其溫度場計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同狀態(tài)下芯片安裝板的溫度分布Fig.9 Temperature distribution of chip mounting plate under different states

根據(jù)不同狀態(tài)下19塊芯片板的溫度分布結(jié)果,梳理出各個芯片板的最高溫度,結(jié)果如表2所示。

表2 不同狀態(tài)下各個芯片板的最高溫度Table 2 Highest temperature of chip mounting plates under different states K

從表2中可以看出,不同狀態(tài)下通風道內(nèi)各芯片板之間的溫差不大,總體平穩(wěn)。不同速度下,吊艙高空飛行均較低空飛行散熱效果更好;不同高度下,吊艙低速飛行相比高速飛行散熱效果更好。不同狀態(tài)下吊艙內(nèi)部芯片板溫度最高為321 K,未超過設備運行的上限值,滿足吊艙散熱要求。

5 結(jié)論

文中將電子吊艙的氣動特性分析及熱計算分析有效結(jié)合,研究了在飛機包線范圍內(nèi)采用沖壓空氣通風冷卻方式吊艙內(nèi)部電子設備散熱特性,得出結(jié)論如下:

1)吊艙通風道內(nèi)各芯片板之間的溫差不大,總體平穩(wěn)。

2)吊艙高空飛行較低空飛行散熱效果更好,低速飛行相比高速飛行散熱效果更好。

3)吊艙內(nèi)部設備在低空高速狀態(tài)下溫度最高為321 K,未超過上限值,滿足內(nèi)部電子設備散熱要求。