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ANSYS對航空工業(yè)解決方案(七)航空器電子產(chǎn)品熱設(shè)計

發(fā)布時間:2010-06-12

現(xiàn)代機(彈)載電子設(shè)備由于受條件限制,都要求重量輕、體積小。另外,為了提高電子產(chǎn)品的工作性能,其功率往往很大,也就是說電子元器件的發(fā)熱量非常大,一般電子元器件的正常工作溫度要求低于100°C。根據(jù)美國空軍的統(tǒng)計,在機(彈)載電子設(shè)備失效的原因中,有超過50%是由于溫度引起的,因此電子產(chǎn)品的熱設(shè)計是電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計的最主要內(nèi)容。

圖7-1散熱冷板上的溫度分布圖7-2冷卻水的流線圖
 

機(彈)載電子產(chǎn)品的冷卻可采用循環(huán)水冷(二次冷卻)和風(fēng)冷,而風(fēng)冷又有自然風(fēng)冷和強迫風(fēng)冷。

圖7-1、7-2采用ANSYS CFX對某機載電子產(chǎn)品進行水冷分析,圖示為散熱冷板上的溫度分布和冷卻水的流線圖。

圖7-3 采用ANSYS CFX對某機載電子產(chǎn)品冷卻方案進行流場分析,

發(fā)現(xiàn)了原設(shè)計中的問題,并進行了改進設(shè)計
 

傳統(tǒng)的機(彈)載電子產(chǎn)品的熱設(shè)計以經(jīng)驗設(shè)計為主,根據(jù)機(彈)載電子產(chǎn)品熱設(shè)計手冊,利用半經(jīng)驗、半解析的估算公式確定冷卻方式、流量(壓差)及流道,然后制造相應(yīng)的1:1模型進行測試驗證。這種熱設(shè)計的成功率主要取決于設(shè)計者的經(jīng)驗,由于試驗驗證成本高、周期長,設(shè)計者只能選取少數(shù)幾種自己認為最可行的設(shè)計方案進行試驗,從而可能疏漏了更好的設(shè)計方案。另外,如果測試驗證后發(fā)現(xiàn)了設(shè)計中的問題,回過來重新更改設(shè)計,再測試驗證,這樣的設(shè)計周期就更長,這與激烈的市場競爭不相適應(yīng)。

計算流體動力學(xué)(CFD)的飛速發(fā)展和計算機性能的提高為機(彈)載電子產(chǎn)品熱設(shè)計的數(shù)值仿真提供了保障。ANSYS CFX流體分析功能就是利用基于有限元的有限體積法求解三維湍流Navier-Stokes方程。ANSYS CFX是熱、流耦合計算軟件,在流體單元中求解質(zhì)量、動量、能量方程,而同時在固體單元中耦合求解能量方程,由此可得出流場中的速度、壓力、溫度分布,固體中的溫度分布,同時可得出流、固表面的對流換熱系數(shù)(圖7-4)和熱流密度。


 

圖7-4 散熱齒表面的對流換熱系數(shù)分布圖7-5機箱內(nèi)外表面對流換熱系數(shù)分布
 

圖7-5采用ANSYS CFX對某機載電子設(shè)備機箱進行強迫風(fēng)冷分析,圖示結(jié)果為機箱內(nèi)外表面的對流換熱系數(shù)分布。

機(彈)載電子產(chǎn)品的冷卻效率取決于流、固表面對流換熱系數(shù)的大小,因此熱設(shè)計仿真分析的最主要任務(wù)是準確求解對流換熱系數(shù)。對流換熱系數(shù)的大小與近壁面的流體溫度分布梯度成正比,而近壁面的流體溫度分布梯度與近壁面的流體速度分布有關(guān),因此,要得到準確的對流換熱系數(shù),必須精確求解流體速度分布,尤其是近壁面附面層內(nèi)的速度分布。八十年代末九十年代初,由于受計算機速度的限制,直接求解三維復(fù)雜流場的湍流Navier-Stokes方程從而得到準確的流體速度分布幾乎是不可能,因此發(fā)展了一些半經(jīng)驗、半解析的電子系統(tǒng)冷卻分析軟件,這些分析中的流體剖面速度分布是根據(jù)經(jīng)驗給定的解析式,對于簡單流場,這樣的解析表達式能較好地符合,而對于真實復(fù)雜流場,誤差較大。ANSYS CFX通過直接求解三維湍流Navier-Stokes方程來得到準確的流體速度分布,從而能準確給出對流換熱系數(shù)。