航空器电子产品热设计

航空器电子产品热设计

现代机（弹）载电子设备由于受条件限制，都要求重量轻、体积小。另外，为了提高电子产品的工作性能，其功率往往很大，也就是说电子元器件的发热量非常大，一般电子元器件的正常工作温度要求低于100°C。根据美国空军的统计，在机（弹）载电子设备失效的原因中，有超过50%是由于温度引起的，因此电子产品的热设计是电子产品可靠性设计的最主要内容。

机（弹）载电子产品的冷却可采用循环水冷（二次冷却）和风冷，而风冷又有自然风冷和强迫风冷。

图7-1、7-2采用ANSYS CFX对某机载电子产品进行水冷分析，图示为散热冷板上的温度分布和冷却水的流线图。

传统的机（弹）载电子产品的热设计以经验设计为主，根据机（弹）载电子产品热设计手册，利用半经验、半解析的估算公式确定冷却方式、流量（压差）及流道，然后制造相应的1：1模型进行测试验证。这种热设计的成功率主要取决于设计者的经验，由于试验验证成本高、周期长，设计者只能选取少数几种自己认为最可行的设计方案进行试验，从而可能疏漏了更好的设计方案。另外，如果测试验证后发现了设计中的问题，回过来重新更改设计，再测试验证，这样的设计周期就更长，这与激烈的市场竞争不相适应。

计算流体动力学（CFD）的飞速发展和计算机性能的提高为机（弹）载电子产品热设计的数值仿真提供了保障。ANSYS CFX流体分析功能就是利用基于有限元的有限体积法求解三维湍流Navier-Stokes方程。ANSYS CFX是热、流耦合计算软件，在流体单元中求解质量、动量、能量方程，而同时在固体单元中耦合求解能量方程，由此可得出流场中的速度、压力、温度分布，固体中的温度分布，同时可得出流、固表面的对流换热系数（图7-4）和热流密度。

图7-5采用ANSYS CFX对某机载电子设备机箱进行强迫风冷分析，图示结果为机箱内外表面的对流换热系数分布。

机（弹）载电子产品的冷却效率取决于流、固表面对流换热系数的大小，因此热设计仿真分析的最主要任务是准确求解对流换热系数。对流换热系数的大小与近壁面的流体温度分布梯度成正比，而近壁面的流体温度分布梯度与近壁面的流体速度分布有关，因此，要得到准确的对流换热系数，必须精确求解流体速度分布，尤其是近壁面附面层内的速度分布。八十年代末九十年代初，由于受计算机速度的限制，直接求解三维复杂流场的湍流Navier-Stokes方程从而得到准确的流体速度分布几乎是不可能，因此发展了一些半经验、半解析的电子系统冷却分析软件，这些分析中的流体剖面速度分布是根据经验给定的解析式，对于简单流场，这样的解析表达式能较好地符合，而对于真实复杂流场，误差较大。ANSYS CFX通过直接求解三维湍流Navier-Stokes方程来得到准确的流体速度分布，从而能准确给出对流换热系数

另一个影响对流换热系数大小的重要因素是层流流动还是湍流流动。流体层流流动时，沿平行于流道轴心线的流线流动，没有跨越流线的分速度，沿流道壁面法线方向的热量传递只能依靠流体分子的迁移运动即热传导；而湍流流动时，流体质点运动的流线是杂乱无章的，不仅在平行于流道壁面方向（轴向）有对流，而且相邻流层之间的不断扰动混合，形成涡漩流动，以致在壁面法线方向（横向）也有对流；因此湍流时的热量传递，除了依靠导热方式外，主要依靠涡漩流动从一个流层到另一个流层的随机运动过程传递热量，使换热大大增强。所以湍流换热要比层流换热强烈，对流换热系数较大。由此可见，湍流模型的好坏将对计算精度产生很大影响。ANSYS CFX 提供了从零方程模型、标准K-e模型到修正的K-e模型等多达八种的湍流模型，以适应各种不同的流动分析。

ANSYS CFX提供了多达六种的多片流计算技术可用来进行具有多种流体流动的二次冷却分析，如循环冷却水的自然冷却分析。系统中固体材料可有多种，它们可具有不同的导热系数、比热等材料特性，固体材料间的接触热阻可用热阻单元来模拟。

ANSYS CFX的瞬态分析功能可进行瞬态热分析，求出每一时刻每一点的温度分布以及各点的温度时间历程变化过程。

ANSYS CFX流体分析支持五种热边界条件：

n常温

n常热通量（热流密度）

n施加与环境温度相关的对流换热系数

n施加与环境温度相关的表面热辐射

n绝热（隐含边界条件）

ANSYS CFX热分析通过流-固共轭传热分析来得到温度场，当非流体材料的物性参数与流体材料的物性参数相差几个数量级时，成为病态的共轭传热问题。ANSYS CFX提供的在流体区域和固体区域采用不同的时间步长的分析方法可以克服病态共轭传热问题。

图7－11为电机内冷却过程的模拟。通风方式为轴向自通风，转速为1175r/min，考虑了转子和定子的铁耗、交流线圈和励磁线圈的铜耗，以及杂散损耗。由于ANSYS CFX采用了全隐式耦合多重网格算法，在此类问题上计算的收敛非常快，而且计算稳定。