运用一维-三维计算流体动力学设计液冷航空电子设备

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总结
现代军用飞机平台使用的功率越来越多,导致功率密度(SWaP) 不断增加。这反过来又产生更多的热量,这些热量必须从飞机的仪表板和驾驶舱中耗散。此外,结构复合材料的使用(这些材料不是有效的热导体)以及减少热特征的任务要求,使问题进一步复杂化。因此,必须使用其他途径来给航空电子系统散热。液冷系统相对于空气冷却系统有优势,前者的传热量要高得多,而且可以将热量传输到离热源很远的地方。
液冷式航空电子设备有其自身的挑战。用于从电子元器件中提取热量的组件(如冷板等)的架构必须进行优化,以便提供始终如一且可靠的性能,同时要在已然很拥挤的仪表板中保持最小的占用面积。另外,这些系统需要管道、泵、阀门、热交换器、控制装置以及用来散热的散热器。在大多数军事应用中,冷却剂是燃料。
因此,设计工程师不仅要考虑航空电子设备封装的设计及其冷却要求,还要考虑热量转移到冷却剂后如何处理的问题。这就需要同时优化组件设计和散热设计的能力。
本文提出了一种实现这种并行优化的方法:使用基于模型的设计方法,在系统仿真工具中从 CAD 嵌入式 CFD 软件使用特征化三维计算流体动力学 (CFD) 仿真。这样, 早在物理组件可用于基准测试之前,就能对散热系统进行初始评估。
01
简介
军用甚至一些商用飞机都在采用碳纤维复合材料制造。利用碳纤维增强基质材料带来的影响是会抑制通过复合材料进行热传递。因此,飞机内部产生的废热必须通过其他方式耗散,例如管道或主动散热装置。
飞机内部的主要废热源之一是电子元器件。先进航空电子设备、雷达和武器控制系统都是机身内主要的热源。此外,用于支持这些电子设备的电源也是一个重大热源。随着更多功能实现计算机化,以及各种电子设备的相对尺寸变得越来越小,飞机驾驶舱中电子设备的功率密度急剧增加,这使得散热问题进一步复杂化。根本没有足够的空间来为设备提供适当的冷却气流。这促成了液冷电子元器件的发展。
在这些元器件的设计中,通常用冷板取代传统的空气冷却散热器,冷板内部有通道以供冷却剂循环并从电子元器件吸收热量。冷却剂在泵的作用下通过一个或一系列热交换器以提取热量。冷却介质可以是空气或另一种液体,或是空气与冷却液体的组合。
液冷系统的一个很好的例子是 F22 猛禽战斗机上使用的系统。冷却剂 —— 聚α烯烃 (PAO) —— 通过驾驶舱中关键任务电子设备的冷板循环,然后被泵出送到机翼,冷却远程嵌入式传感器。在那里,温暖的 PAO 通过空气循环机,吸收更多热量,然后被送到热交换器,热交换器将热量从 PAO 转移到燃料。
将飞机燃料用作散热器的想法并不新鲜。该领域的研究可以追溯到 20 世纪 60 年代末和 70 年代初,通用电气和莱特-帕特森空军基地开展的联合研究调查了燃料的热容 。此研究考察了不同区域和飞行轨迹条件下燃料的可用热容。虽然这个概念并不新颖,但随着飞机结构和电子设备变得越来越先进,以及人们希望尽可能减少飞机的热和雷达特征,该概念获得了更多的关注。
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图 1:简化的液冷航空电子系统。
此类系统的真正挑战是要创建一种优化设计,以使关键任务电子设备保持在 68 华氏度的理想工作温度 ,同时尽可能少地增加重量,使系统无论在何种任务和飞行轨迹下都能正常运行。换句话说,无论油箱是满(大散热器)还是接近空(小散热器),系统都必须始终如一地运行。

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图 2:冷板设计的五种可能几何配置。
这就要求冷板、管道系统和热交换器必须同时设计,以确定其彼此如何相互作用。冷板的设计验证通过三维CFD 进行,以找到内部几何形状的最佳选择 —— 它是否应包含立柱、翅片或开放通道,以及翅片是对齐还是交错。虽然三维 CFD 能提供冷板性能的非常精确的结果, 但在三维 CFD 中对整个冷却系统进行建模是不切实际的。网格数量将十分巨大,仿真时间将会长得不合理。
对于系统的其余部分,组件位置、尺寸和热交换器性能是关键方面,一维方法更合适。
要回答的问题是:若同时使用一维和三维 CFD 工具进行仿真,是否有合理且高效的方法来优化整个系统?
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02
一维和三维 CFD 方法
这不是一个新想法,宝马公司在 2000 年代初期就创建了 Simcenter Flomaster 和 STAR-CD 之间的耦合模型, 用于设计 IC 引擎的水冷套。 他们使用的方法是创建两个软件的直接耦合以进行协同仿真。虽然这是向前迈出的宝贵一步,但对于每个新系统或组件,都必须手动进行耦合,这使管理工作变得很麻烦。此外,分析时间长对系统分析是一个阻碍,稳态运行一般只需要几秒钟,现在使用耦合方法则需要数小时或数天。三维仿真有明确的优势。它允许对边界条件进行较大调整,进而减少所需的迭代次数。
现在有商业产品可帮助实现这种耦合,例如 Fraunhofer Institute 的 MPCCI 能够处理将数据从一个工具传送到另一个工具的功能,并管理迭代和时步同步。这是三维 CFD 方面的一个优势,因为它可以显著减少单次仿真的设置时间,但对提高一维系统仿真的性能几乎没有作用。
另一种常见方法是解耦三维和一维仿真。其原理是在特定条件下对目标组件进行三维 CFD 仿真,并将这些点结果(压力、流量、温度)输入到一维模型中。这种方法的速度要快得多,但失去了在不重新运行三维 CFD 仿真的情况下评估不同设计条件的灵活性。它同时丧失了运行瞬态仿真的能力,因为当条件发生变化时,不会看到任何变化。
本文提出的方法选择了不同的路径。它将三维和一维仿真解耦,消除了一维仿真的时间浪费,同时允许在单次一维仿真(无论是瞬态仿真还是简单的静态偏离设计情形)中考虑三维仿真的多个设计点。
这是通过在三维 CFD 仿真中构建试验设计 (DOE) 并在变化的条件下运行仿真扫描来实现的。根据 DOE 的结果可以组装一个或一系列响应面,代表该组件在各种工作条件下的性能。然后可以将这些响应面引入一维仿真模型。这样,一维模型便可考虑系统的多种工作情形,包括瞬态,而不会有一维-三维耦合仿真的协同仿真方法的时间负担。

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图 3:本文提出的构建特征化三维仿真并将其结果嵌入一维模型的工作流程。
虽然仍需要运行多次三维 CFD 仿真,但仿真次数将取决于三维组件的复杂度以及它可能经历的工作条件范围。使用良好的曲线拟合工具并了解组件对变化条件的敏感程度,可以减少仿真次数。
03
优化液冷航空电子系统
本文使用的系统构造与 F22 猛禽战斗机的系统类似,但使用的不是确切的系统参数,因为此信息并未公开。整体布局如图 1 所示。为简单起见,模型中仅考虑一个液冷冷板。所有其他冷却组件将被建模为简单的集总参数组件。这可以在驾驶舱的特写图中看到。

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图 4:采用液冷冷板的驾驶舱特写图。
蓝线代表含有要被送到冷板的冷 PAO 的管道,红线代表热 PAO 离开冷板并进入机翼传感器和空气循环机,绿线代表用于冷却 PAO 的燃油回路。
为了优化系统,将考虑五种不同的冷板设计。这些设计如图 5 所示。

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图 5:冷板设计选择。
在三维 CFD 中评估这些设计后,将比较其独立性能,以及它们作为一个整体在系统中的表现。
A. 评估冷板设计
冷板热设计的主要影响因素包括流体速度、传热面积和SWaP-C,即尺寸、重量、功耗和成本。
流体速度的增加会提高传热系数,进而提高热流量,从而降低芯片温度。但与此同时,较高的流速也会导致压降增加,从而增加泵的能耗。
通过增加立柱或翅片之类的增强表面,可以显著改变传热表面积,如图 5 所示。这些增强表面的有效性也会受到其排列的影响,例如是否对齐或交错。这会增加热流量,但同时压降也会增加。例如,与对齐排列相比,交错排列的热流量通常更高,但同时压降也更大。
增强特性对 SWaP-C 也会产生重大影响。构造增强表面需要额外的材料,因此额外的表面积可能影响冷板的尺寸和重量;另外工具和制造要求也更复杂,导致成本上升。
B. 冷板仿真
冷板和相关电子元件(IGBT 和二极管)采用 Siemens NX 3D CAD 程序构建,并利用 Simcenter FLOEFD 3D CFD 软件进行网格划分。Simcenter FLOEFD 是 CAD 嵌入式 CFD 工具,所有网格划分和仿真都是从 NX 用户界面完成。
IGBT 芯片和二极管是热源,在本例中分别为 360 W 和144 W。对于初始分析,入口流速设定为 5 升/秒。

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图 6:液冷航空电子设备网格示例以及 NX 和 Simcenter FLOEFD 中的结果。
从表 1 中可以看出,采用 4 核计算机时,此模型完成一次分析运行的时间为 4.5 小时,用户交互时间为 2.5 小时。我们使用了 16 核计算机,执行了 16 次运行参数研究,完成时间为 16 小时。
表 1:Simcenter FLOEFD 液冷冷板三维 CFD 仿真的分析统计。

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C. 冷板仿真
对每种冷板设计进行仿真,体积流量为 5 升/分钟,并且
比较结果。图 7 显示了每种设计的压降与元件温度的关系,气泡大小代表每种设计的相对重量。很容易看出,没有任何增强传热表面的设计,其重量和压降均为最低,但工作温度也最高,显著高于所有其他设计。其他设计的工作温度非常相近,但压降差异很大,交错翅片设计的压降最高,重量最重。

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图 7:压降与工作温度和冷板设计重量的关系。气泡大小代表冷板的相对重量
另外,通过将体积流量边界条件从 0.1 升/分钟变为 5 升/ 分钟,对每种设计进行了参数研究。每种设计的体积流量、温度与压降的结果如图 8 所示。该图表明,所有具
有增强传热表面的冷板设计在 1.5 升/分钟及以上的流量下散热性能相似,但对齐和交错设计之间的压降有显著差异,交错设计的压降比对齐设计高出 50% 到 100%。

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图 8:体积流量与工作温度和冷板设计压降的关系。(实线 – 温度。虚线 – 压降)
最后绘制了冷却剂入口温度与元件温度的关系图。它表明,随着入口温度增加,元件温度呈线性增加,所有设计都有相似的变化率。

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图 9:冷却剂入口温度与元件温度的关系。
比较参数研究的结果,很明显有两种设计比其他设计表现更好。这两种设计具有对齐配置的增强传热表面(立柱或翅片)。这些是进行特征提取和导入到一维仿真模型中的候选设计。

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图 10:冷板设计最佳选择。立柱对齐(左)。翅片对齐(右)。
D.构建试验设计
为了在一维仿真模型中研究冷板设计的性能,必须将性能特征编译成可通过一维仿真读取和评估的响应面。所需的响应面数量将取决于变量的数量、可能流动路径的数量以及变量彼此之间的依赖关系。对于冷板,仅需要一个响应面。

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图 11:对齐立柱冷板的响应面映射。
为了创建响应面,为每个冷板构建一个试验设计。Simcenter FLOEFD 的集成界面可实现此目的。用户只需选择要改变的输入、其值的变化范围以及每个变量的增量变化。然后,软件就会构建输入变量矩阵并确定需要运行的仿真数量。对于冷板,每个选项总共需要 20 次运行。

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图 12:Simcenter FLOEFD 中的试验设计界面。
E. 创建响应面
完成试验设计后,便可生成响应面。具体做法可以是将结果导出到电子表格中,然后在一维仿真工具中生成这些曲线。本研究使用的一维工具是 Siemens 的 Simcenter Flomaster;Simcenter FLOEFD 具有导出功能,可以生成并导出响应面数据,Simcenter Flomaster 可以直接读取数据。这样可简化流程,并有助于消除数据输入错误。
此功能可从 DOE 界面访问,生成过程大约需要一分钟。
F. 将响应面纳入一维仿真模型
使用的一维仿真工具不同,将响应面数据引入模型的方法可能不同。几乎所有工具都有某种表格数据输入和表面拟合功能,支持手动输入或从电子表格导入。

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图 13:用于生成响应曲面的数据输入界面示例。
有些人使用的另一个工作流程是通过功能实物模型接口(FMI) 和功能实物模型单元 (FMU) 创建。这些是预编译模型,基于与工具无关的标准,支持模型交换和动态模型(组合使用 xml 文件和编译过的 C 代码)的协同仿真。

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图 14:FMU 导入和创建。
这是 Simcenter FLOEFD 和 Simcenter Flomaster 导入功能背后的方法。为将基于响应面的元件放入数据库,可使用一个导入接口从 Simcenter FLOEFD 中定位导出的文件。然后,该接口将构建访问响应面数据所需的分析模型,并将其保存到元件数据库中。完成此工作后,新元件便可像使用该工具中的任何标准元件模型一样使用。
G. 瞬态飞行轨迹仿真
为了确定这两种冷板设计中哪一种对系统最佳,使用上述方法将两者引入一维工具中并代入散热系统模型。
每个冷板使用相同的飞行轨迹加以运行,并检查其对系统的影响。这是一个很短的飞行轨迹,但有几个快速的高程变化,以便展现高度对燃油系统的影响,判断能否提供所需的散热能力。

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图 15:仿真飞行轨迹。

H. 系统级冷板设计比较

我们考察了两个参数来确定哪个冷板是最佳选择。第一个参数是冷却剂离开冷板时的出口温度。两种情形中冷板入口处的温度是相同的(所有其他参数保持恒定),因此较高的出口温度意味着几何形状差异导致对冷却剂的排热量较多。

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图 16:一维仿真中的冷板出口温度。
图 16 显示,对齐翅片设计的出口温度比对齐立柱设计高出 8 华氏度。
考察的第二个参数是冷板出口处的压力。对齐立柱设计的压力较高,因此压降较低,但差异不显著。

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图 17:一维仿真中的冷板出口压力。

从这些参数可以看出,对齐翅片设计对于该系统是最佳的。

这是一种极其简化的情况,整个系统只考虑一片冷板,而实际系统中可能有八到十片不同的冷板。通过遵循相同的流程并对每个位置的每种冷板选择进行特征提取,可以运行所有不同可能性的参数研究以找到最佳组合。

这在耦合仿真的情况下将是不切实际的,但采用本文所提出的方法却是非常可行的,因为每个一维瞬态仿真不到一分钟就能完成。
04
结语
本文介绍了一种同时使用一维和三维 CFD 的有效方法, 通过此方法,工程师可以优化液冷式航空电子系统的冷板,并了解工作条件对冷板性能的影响。与涉及协同仿真的方法相比,该方法可以显著减少优化系统的总时间,而且成本更低。
本文还表明,虽然增强传热表面可以大大提高液冷冷板的散热能力,但这些表面的布置也会对整个部件的压降产生显著影响。
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