电子吊舱液冷系统指标匹配研究.pdf

第4 1卷 第8期2 0 2 3年8月MA CH I N E R Y&E L E C T R ON I C SV o l.4 1 N o.8A u g.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2 1 1 2 7基金项目:中电二十九所青年创新课题项目(2 0 2 2 1 4)作者简介:叶元鹏(1 9 8 5-),男,重庆人,硕士,高级工程师,研究方向为电子设备热管理与结构设计。电子吊舱液冷系统指标匹配研究叶元鹏,褚 鑫,李应杰,何 宇,王 超(中国电子科技集团公司第二十九研究所,四川 成都 6 1 0 0 3 6)摘 要:对某电子吊舱液冷系统展开研究,提出一种液冷系统指标匹配设计流程及方法,依据循环系统流程设计、管网设置以及设备布局设计,完成供液流量、系统流阻和液体容积等指标分配。通过理论计算与C F D数值仿真相结合的方式对液冷系统指标进行匹配设计,并完成指标测试。结果表明,电子吊舱液冷指标匹配设计方法具有较好的通用性,可有效完成电子吊舱的液冷系统指标分配、计算及测试,可为同类液冷系统设计提供参考。关键词:吊舱;液冷系统;流阻;指标匹配;数值仿真中图分类号:T K 3 9;V 2 4 5.3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1 2 2 5 7(2 0 2 3)0 8 0 0 1 4 0 5R e s e a r c h o n I n d e x M a t c h i n g o f L i q u i d C o o l i n g S y s t e m f o r E l e c t r o n i c P o dY E Y u a n p e n g,C H U X i n,L I Y i n g j i e,H E Y u,WA N G C h a o(T h e 2 9 t h R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C E T C,C h e n g d u 6 1 0 0 3 6,C h i n a)A b s t r a c t:T a k i n g t h e l i q u i d c o o l i n g s y s t e m o f a n e l e c t r o n i c p o d a s t h e r e s e a r c h o b j e c t,t h i s p a p e r d e v e l-o p s a d e s i g n o f t h e c i r c u l a t i o n s y s t e m,t h e s e t t i n g o f t h e p i p e n e t w o r k a n d t h e l a y o u t d e s i g n o f t h e e q u i p-m e n t,t h e n d i s t r i b u t e d l i q u i d s u p p l y f l o w,s y s t e m f l o w r e s i s t a n c e a n d l i q u i d v o l u m e.T h r o u g h t h e c o m b i n a-t i o n o f t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n a n d C F D n u m e r i c a l s i m u l a t i o n,t h e i n d e x e s o f t h e l i q u i d c o o l i n g s y s t e m a r e d e s i g n e d a n d t e s t e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e m a t c h i n g d e s i g n m e t h o d o f t h e l i q u i d c o o l i n g i n d e x o f t h e e-l e c t r o n i c p o d i s w e l l u n i v e r s a l,w h i c h c a n e f f e c t i v e l y c o m p l e t e t h e a l l o c a t i o n,c a l c u l a t i o n a n d t e s t o f t h e e l e c-t r o n i c p o d,a n d c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n o f t h e l i q u i d c o o l i n g s y s t e m o f t h e s a m e k i n d.K e y w o r d s:p o d;l i q u i d c o o l i n g s y s t e m;f l o w r e s i s t a n c e;i n d e x m a t c h i n g;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n0 引言?随着电子吊舱功能的不断扩展以及能力提升,不同载机平台都广泛采用外挂电子吊舱的方式来提升战斗力。目前,电子吊舱正呈现小型化及高度集成化趋势,对换热提出了更高的要求。国内先进飞机一般采用液冷环控系统15,该系统可为电子设备提供稳定可靠的工作环境。目前,电子吊舱液冷环控系统主要采用3种方式:冲压空气直接冷却供液系统;蒸发循环制冷系统;逆升压空气循环制冷供液系统。文献6 和文献7 对某直升机载电子吊舱环控供液系统、T T C双涡轮并行制冷吊舱环控系统的系统原理、试验原理和制冷性能等开展了研究。余建祖等8介绍了某吊舱环境控制系统设计及参数优化。此外,熊贤鹏等9通过对多种吊舱用环境控制系统的比较,提出了一种动力涡轮驱动的逆升压空气循环制冷系统,并提出了系统优化方法。另外,文献1 0文献1 3 分别针对电子设备冷板、机载液冷系统和相控阵雷达的流阻匹配、分流设计等开展了研究。上述文献分别对吊舱环境控制系统的原理、性能等开展了大量研究工作,同时也对电子设备的流阻匹配、41叶元鹏等:电子吊舱液冷系统指标匹配研究研究与设计流量分配等做了相应的研究工作,但是却少有对吊舱环控系统液冷指标的转化、应用以及总体设计时如何对流阻等液冷指标进行匹配设计进行阐述。本文以某电子吊舱液冷系统为研究对象,提出一种匹配设计方法,通过对循环系统流程设计、管网设置、设备布局设计,完成供液流量、系统流阻及液体容积等指标分配。利用理论计算与C F D数值仿真相结合的方式对液冷系统指标进行匹配设计,并开展指标测试,可为同类液冷系统设计提供参考。1 液冷系统指标匹配设计方法根据液冷电子吊舱的特点,提出一种电子吊舱液冷系统指标匹配设计方法,流程如图1所示。首先,根据确定的电子吊舱液冷系统指标体系,完成液冷指标的转化;然后通过液冷系统的循环流程设计及结构布局设计,完成系统的流阻分配、流阻计算、流阻匹配和液体容积匹配,最终形成系统设计方案。?YNN?(?)?/?Y?？?？图1 一种液冷系统指标匹配设计流程2 液冷系统指标匹配设计方法2.1 液冷指标体系电子吊舱液冷环控系统选择封闭式循环系统,其液冷指标体系主要包括:供液流量、供液压力以及系统允许的膨胀容积。其中,供液压力的大小取决于系统的总流阻,流阻增加则供液压力增大,供液流量随之减小,散热能力降低;流阻减小则供液压力减小,供液流量随之增加,散热能力增加。因此,在开展设计时需要对液冷系统的流阻及流量进行合理的匹配设计,以充分发挥既定效能,否则可能造成供液流量不足,导致系统散热系统无法对标的潜在风险。另外,由于液体的不可压缩性以及液冷系统为闭式系统的特点,在总体设计时需要对液冷系统的液体容积进行控制,确保由于液体温度变化导致体积变化时系统能对变化部分的体积进行有效补偿,避免由于设计不当造成系统发生机械性损坏。因此,电子吊舱液冷系统指标匹配主要包括系统流阻与供液流量的匹配、液体容积与膨胀容积的匹配。某系统的指标如表1所示,供液泵特性曲线如图2所示。表1 某电子吊舱液冷系统的指标体系指标数值供液流量/(Lm i n-1)4供液压力/MP a0.4膨胀容积/m L1 8 054321000?2.0?4.0?6.0?8.?/MPa?/()Lmin-1图2 某液冷系统供液泵特性曲线当供液压力为0.4 MP a时,可得供液流量为4 L/m i n,为系统的额定指标。2.2 设计指标转化表2为某电子吊舱待冷却设备及热耗组成。表2 某电子吊舱待冷却设备及热耗组成待冷却设备热耗/W设备1 13 0 0设备1 21 0 0设备2 12 0 0设备2 21 0 0设备2 33 0 0 待冷却设备在液冷循环系统中可采用串联或并联方案。结合冷却系统指标、电子设备的热耗组成以及结构布局,本系统选择并联方案,循环流程如图3所示。冷却液经供液泵供液口流出后分别流至左右2个支路,最后从换热器1汇流后最终回流至供液泵回液口。遵照热耗与流量相匹配的原则,循环支路1的热耗占总热耗4 0%,流量分配总流量的4 0%,约1.6 L/m i n;同理,循环支路2流量分配总流量的6 0%,约2.4 L/m i n。512 0 2 3(8)?11?2?2?1?1?11?12?22?21?21?12?23?13?23?24?4?3?22图3 某电子吊舱液冷系统液体循环流程系统允许最大液体容积为V=LkT(1)膨胀系数k=0.0 0 1 5/;冷却液温度变化值T=8 0;设计裕量取1 0%。得出系统最大允许液体总容积V=1 3 0 0 m L。因此,本液冷系统的设计指标要求如表3所示。表3 液冷系统设计指标要求待匹配指标循环支路1循环支路2流量/(Lm i n-1)1.62.4流量占比/%4 06 0流阻/MP a0.40.4液体总容积/m L1 3 0 03 液冷系统指标匹配设计方法3.1 系统流阻分配由图3可以看出,系统的流阻主要是由冷却液流经设备、换热器及管道而产生的沿程阻力和局部流阻组成的。结合吊舱结构布局、设备的结构形态、管道尺寸和管网布局,形成的系统流阻分配如表4所示,各循环支路液体温度为3 0 时的总流阻为0.3 3 MP a。表4 系统流阻分配值循环支路1流阻/MP a循环支路2流阻/MP a管道1 1 0.0 2 4(1.6 L/m i n)管道2 1 0.0 1 6(2.4 L/m i n)设备1 1 0.0 6 0(1.6 L/m i n)设备2 1 0.0 3 0(2.4 L/m i n)管道1 2 0.0 2 8(1.6 L/m i n)管道2 2 0.0 1 6(2.4 L/m i n)设备1 2 0.0 5 0(1.6 L/m i n)设备2 2 0.0 3 5(2.4 L/m i n)管道1 3 0.0 1 8(1.6 L/m i n)管道2 3 0.0 2 8(2.4 L/m i n)设备2 3 0.0 4 2(2.4 L/m i n)管道2 4 0.0 1 3(2.4 L/m i n)换热器10.0 2 5(4 L/m i n)换热器10.0 2 5(4 L/m i n)管道30.0 5 0(4 L/m i n)管道30.0 5 0(4 L/m i n)换热器20.0 1 5(4 L/m i n)换热器20.0 1 5(4 L/m i n)管道40.0 6 0(4 L/m i n)管道40.0 6 0(4 L/m i n)注:数据 0.0 2 4(1.6 L/m i n),表示在流量为1.6 L/m i n时的流阻为0.0 2 4 MP a,下同。3.2 系统流阻计算流阻的计算可采用理论计算和基于C F D的数值模拟计算,根据系统的复杂度及特点,较适宜采用两者相结合的方式开展。对于液冷管道,采用理论计算;对于待冷却设备,由于其结构复杂性,采用C F D数值模拟计算。根据流体力学理论,液体的流阻主要由冷却液流动产生的沿程阻力损失和局部阻力损失组成。根据简化伯努利方程1 4,对于水平圆管,沿程阻力损失为hL=fLDv22D g(2)L为管道长;D为管道内径;g为重力加速度;v为管内液体平均速度;f为阻力系数,其中,f=0.3 1 6 4R e0.2 5,R e=v D(为冷却液粘度,为冷却液动力粘度)。管道在吊舱中会产生弯曲,弯曲时流体会在弯管内产生局部损失。局部阻力损失为hP=v22g(3)为局部损失系数。其中,冷却液的物性参数与温度相关,为非定常值。依据经典理论1 4,以及管道的结构特征,计算得出管道流阻计算值如表5所示。表5 管道流阻计算值循环支路1流阻/MP a循环支路2流阻/MP a管道1 1 0.0 2 9(1.6 L/m i n)管道2 1 0.0 1 8(2.4 L/m i n)管道1 2 0.0 2 5(1.6 L/m i n)管道2 2 0.0 1 8(2.4 L/m i n)管道1 3 0.0 1 9(1.6 L/m i n)管道2 3 0.0 3 2(2.4 L/m i n)管道2 4 0.0 1 1(2.4 L/m i n)管道30.0 4 8(4.0 L/m i n)管道30.0 4 8(4.0 L/m i n)管道40.0 6 3(4.0 L/m i n)管道40.0 6 3(4.0 L/m i n)对于待冷却设备,借助F l o E F D仿真软件进行流阻仿真计算。将设备几何模型简化,减少仿真计算量,提高计算效率。其中,设备1 1内部流体区域几何模型及网格模型如图4所示,部分设备压力场云图如图5、图6和图7所示。根据仿真结果,待冷却设备流阻汇总如表6所示。根据以上计算结果,循环支路1总流阻约为0.3 4 5 MP a;循环支路2总流阻约为0.3 3 0 MP a,与61叶元鹏等:电子吊舱液冷系统指标匹配研究研究与设计图4 设备1 1几何模型及网格模型169 455?47.Pa164 131?24158 807?00153 482?77148 158?53142 834?30137 510?06132 185?83126 861?59121 537?35116 213?12110 888?88105 564?65100 240?41.图5 设备1 1压力场云图0?154 8560?149 1130?143 3700?137 6270?131 8830?126 1400?120 3970?114 6530?108 9100?103 1670?097 423.MPa图6 设备1 2压力场云图表6 待冷却设备流阻计算值循环支路1流阻/MP a循环支路2流阻/MP a设备1 1 0.0 6 9(1.6 L/m i n)设备2 1 0.0 3 2(2.4 L/m i n)设备1 2 0.0 5 7(1.6 L/m i n)设备2 2 0.0 3 4(2.4 L/m i n)设备2 3 0.0 4 5(2.4 L/m i n)换热器1 0.0 2 4(4.0 L/m i n)换热器1 0.0 2 4(4.0 L/m i n)换热器2 0.0 1 2(4.0 L/m i n)换热器2 0.0 1 2(4.0 L/m i n)表4中流阻分配值较接近。根据以上计算结果可知2个循环支路在设计流量下的流阻计算值相差约?MPa132 389?42130 114?90127 840?38125 565?86132 291?34121 016?82118 742?31116 467?79114 193?27111 918?75109 644?23107 369?71105 095?19102 820?67100 546?19.Pa图7 设备2 1压力场云图4.1%,考虑C F D数值仿真及由于管道局部压力损失计算可能带来的误差以及工程实际与理想情况存在差异的现实情况,认为该计算结果可以满足系统分流及流阻匹配要求,后期可根据流量测试结果进行再次调节。3.3 系统容积计算根据液冷系统的结构布局以及管道、设备冷板的结构特征,系统液体容积计算值如表7所示。其中,管道流阻由已知的管径及长度计算得出,设备流阻由其内部流道几何特征,通过F l o E F D仿真软件直接测量得出。表7 系统液体容积计算值部件液体容积/m L部件液体容积/m L管道1 11 3.0管道2 18.0设备1 11 6 0.0设备2 19 7.0管道1 21 5.5管道2 28.0设备1 26 8.0设备2 26 8.0管道1 31 1.0管道2 38.0换热器12 4 5.0设备2 39 7.0管道31 1.0管道2 41 0.0换热器24 5.0供液泵4 5 2.0管道41 0.0 由表7可知,系统液体总容积为1 3 0 6.5 m L,超过指标约0.5%,远小于设计裕量,满足系统液体容积要求,计算误差可忽略。通过以上计算结果表明,各循环支路的总流阻、系统液体总容积满足表3中的液冷系统设计指标要求,系统方案可行。4 试验验证对电子吊舱液冷系统指标匹配测试,搭建了测712 0 2 3(8)试系统,如图8所示,测试试验样机如图9所示。测试环境由测试电脑、数采系统、电源以及流量计组成。其中,流量计1用于测试循环支路1的流量G1;数采系统通过U S B C AN测试供液泵的供液压力(即系统总流阻)R,与供液泵特性曲线(图2)对照即可得到液冷系统总流量G。?11?2?2?1?1?11?12?22?21?21?12?23?13?23?24G?3?22?1?G1?4图8 测试试验框图图9 测试试验样机测试结果如下:循环支路1流量计测试值为1.8 L/m i n;供液泵的供液压力(即系统总流阻)为0.3 3 5 MP a,与供液泵特性曲线(图2)对照可知,系统总流量为4.3 L/m i n;由此可得,循环支路2的供液流量为2.5 L/m i n。根据以上测试结果,系统液冷指标测试值如表8所示。表8 液冷指标测试值测试指标循环支路1循环支路2流量/(Lm i n-1)1.82.5流量占比/%4 1.85 8.2流阻/MP a0.3 3 50.3 3 5液体总容积/m L1 3 6 6.5 测试结果表明,实测值与理论分配值相符程度较高。其中,流量实测值与表3中的分配值相差1.8%,流阻实测值与表4中的分配值相差2.9%,测试值与分配值偏差均小于5%,且测试值均满足液冷系统设计指标要求(见表3)。由于液体容积由结构特征确定,计算值即为实际值,因此不开展测试工作。5 结束语本文从工程角度介绍了一种电子吊舱液冷环控系统的液冷指标匹配设计方法。以一种液冷电子吊舱为例,从指标体系、设计指标转化、指标分配、仿真计算及试验验证等维度详细阐明了具体研究工作,展现了一个以液冷指标匹配为目的的电子吊舱液冷环控系统的液冷指标匹配设计研究全过程。测试指标与计算值偏差较小的结果表明,该方法可有效完成电子吊舱的液冷系统指标分配、计算及测试。该方法具有较好的通用性,可为同类系统设计提供参考。参考文献:1 A S HF O R D R,B R OWN S.F 2 2 e n v i r o n m e n t a l c o n-t r o l s y s t e m/t h e r m a l s y s t e m(E C S/TM S)f l i g h t t e s t p r o g r a md o w n l o a d a b l e c o n s t a n t s,a n i n n o v a t i v e a p-p r o a c h J.M o n a t s h e f t e f u e r c h e m i e/c h e m i c a l m o n t h-l y,2 0 0 0,1 4 2(6):6 3 7 6 4 2.2 B A I R D D,F E R E N T I ON S J.A p p l i c a t i o n o f M I LC8 7 2 5 2 i n F 2 2 l i q u i d c o o l i n g s y s t e m C I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n E n v i r o n m e n t a l S y s t e m s,1 9 9 9:2 4 7 2 5 9.3 GHAN E KA R M.V a p o r c y c l e s y s t e m f o r t h e F2 2 r a p t o r C I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e O n E n v i r o n m e n-t a l S y s t e m s,2 0 0 0:1 3 6 1 1 3 6 4.4 S P R OU S E J.F 2 2 e n v i r o n m e n t a l c o n t r o l/t h e r m a l m a n-a g e m e n t f l u i d t r a n s p o r t o p t i m i z a t i o nCI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n E n v i r o n m e n t a l S y s t e m s,2 0 0 0:3 5 9 3 6 4.5 L U I C W,L E E C K,S CHWAN E.I n t e g r t e d e n v i r o n-m e n t a l c o n t r o l s y s t e m a n d l i q u i d c o o l i n g s y s t e m f o r F/A 1 8 E/F a i r c r a f t C S A E P a p e r,1 9 9 5:9 5 1 4 0 0.6 王超,叶元鹏.某直升机载电子吊舱环控供液系统J.电子机械工程,2 0 1 7,3 3(5):3 2 3 5.7 王超,包胜,王璐璐.T T C双涡轮并行制冷吊舱环控系统性能研究J.电子机械工程,2 0 1 7,3 3(1):4 8 5 1.8 余建祖,苏楠.机载设备吊舱环境控制系统设计及参数优化J.航空学报,2 0 0 0(5):3 9 9 4 0 4.9 熊贤鹏,林丽,刘卫华,等.电子设备吊舱环境控制系统的研究J.测控技术,2 0 0 7(1 0):2 6 2 9.1 0 尹本浩,蒋威威,何冰,等.液冷电子设备的冷板流阻匹配研究J.电子机械工程,2 0 1 3,2 9(2):1 4.1 1 谢明君,孙彤辉,李姣姣.一种机载液冷系统的流量分配设计方法J.无线电工程,2 0 2 0,5 0(5):4 0 0 4 0 4.1 2 吕洪涛,喻敏.有源相控阵雷达冷却系统设计及流量分配研究J.电子机械工程,2 0 1 9,3 5(2):3 0 3 3.1 3 关宏山.某相控阵雷达液冷流量分配系统研究J.电子机械工程,2 0 1 1,2 7(4):9 1 2.1 4 景 思 睿.流 体 力 学 M.西 安:西 安 交 通 大 学 出 版社,2 0 0 1.81