張藝耀，龍文楓，肖 霆，別 瑜，陳 革

應(yīng)用研究

基于流-固耦合的船用電源模塊流場及溫度場分析

張藝耀，龍文楓，肖 霆，別 瑜，陳 革

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文以某采用強迫風冷的船用不間斷電源為例，介紹了其柜體內(nèi)部的回路結(jié)構(gòu)，并利用有限元仿真軟件Icepak對其進行流-固耦合仿真計算，得到該模塊的內(nèi)部風道流場和穩(wěn)態(tài)溫度場。提出了一種新的風冷系統(tǒng)優(yōu)化方法，降低了功率器件的最高溫度，使得系統(tǒng)溫度分布更加合理，優(yōu)化后散熱效果達到設(shè)計要求。該優(yōu)化方法可為電力器件柜體散熱提供一種思路。

電源模塊 流固耦合 流體場 溫度場

0 引言

當今，電力推進系統(tǒng)因為其安裝靈活、易于獲得理想的特性、運行可靠、輕振、環(huán)保等優(yōu)點，越來越廣泛地應(yīng)用到了現(xiàn)代船舶領(lǐng)域當中。隨著電力電子技術(shù)的不斷完善，船舶電源模塊的研究取得了較好的發(fā)展。然而，電力模塊中的電力電子器件的損耗發(fā)熱現(xiàn)象一直是研究人員重點關(guān)注的問題，過高的溫升會導(dǎo)致電力器件的失效，這將直接影響到整個電力系統(tǒng)的工作可靠性[1]。為了保證電源模塊的穩(wěn)定運行，有必要對其進行溫度場分析。

目前計算電力器件溫升的方法大致有兩種：熱路模型法和計算機仿真法。其中，熱路模型法是通過對研究對象熱傳遞路徑的分析，建立與電路相似的熱路模型，代入傳熱系數(shù)，計算出目標位置的溫升情況[2]。但是該方法的計算精度較低，并且不能得到研究對象整體的溫度分布情況。隨著計算機技術(shù)及場域仿真技術(shù)的發(fā)展，采用電子計算機使用數(shù)值算法計算電器的溫度場，可以得到較為準確的結(jié)果，并且能夠得到研究對象的溫度分布情況[3]。

計算機仿真技術(shù)中的有限元法在近些年中有很大的發(fā)展，己經(jīng)成功地解決了一些流動及對流換熱問題。國外在有限元分析軟件領(lǐng)域已經(jīng)有許多較為成熟的產(chǎn)品問世，其中影響較大的有Ansys有限元分析軟件包等，已有較多研究人員利用其對電子設(shè)備進行了溫度仿真[4-9]，并取得了一定的研究成果。

本文將針對某船用不間斷電源模塊，利用Ansys平臺下Icepak軟件對其進行穩(wěn)態(tài)溫度場和流體場仿真計算，根據(jù)仿真結(jié)果對其散熱系統(tǒng)進行優(yōu)化，使得優(yōu)化后溫升結(jié)果達到設(shè)計要求。

1 求解模型的確定

1.1 物理模型

該電源功率模塊的三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，圖（a）中1為散熱器，2為進風口，3為頂部風機位置（風機圖中未畫出），4為電容模塊，5為MOSFET模塊組（從左往右，其中第1～6個模塊為逆變模塊，7～9為充放電模塊，10～12為整流模塊）。圖1(b)所示為該電源模塊冷卻風路示意圖，冷空氣從下側(cè)進風口進入，流經(jīng)散熱器經(jīng)過熱交換后，通過上風道抽風機流出系統(tǒng)外，所選用的風機型號為TXB060S-190AB。模塊總體散熱要求：各功率模塊穩(wěn)態(tài)最高溫度不能超過70℃。

圖1 電源模塊模型

為了方便模型的網(wǎng)格劃分，首先對電源模塊三維模型進行簡化，刪去模型的連接緊固件以及不影響仿真結(jié)果的結(jié)構(gòu)特征，得到如圖2所示的簡化計算模型。在Icepak中對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分完成后總單元數(shù)為2, 538, 755，體網(wǎng)格與模型實體貼合緊密，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖2 簡化后計算模型

1.2 數(shù)學模型

電源模塊內(nèi)部流-固耦合分析包括兩個過程：一是發(fā)熱元件損耗產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞到散熱器的外表面，二是散熱器表面的空氣通過對流和輻射的方式將熱量傳遞出去。該過程須滿足三大基本守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。其中所涉及的守恒方程如下所述[10]：

1）質(zhì)量守恒方程：

式中：為密度，為時間，u為速度矢量，S為源項。

2）動量守恒方程：

式中：為靜壓；為應(yīng)力張量；g和F分別為方向上的重力體積力和外部體積力，其中F包含了其他模型的相關(guān)源項。

3）能量守恒方程：

式中：c為比熱容；為溫度；為流體傳熱系數(shù)；S為黏性耗散項。

1.3 求解假設(shè)及條件設(shè)置

仿真采用二階求解計算，設(shè)置湍流計算模型，忽略太陽熱輻射、海拔等影響，環(huán)境溫度設(shè)為20℃。將逆變模塊、充放電模塊、整流模塊設(shè)為熱源，損耗功率密度按體平均分配，功率大小如表1所示。

表1 單個功率模塊損耗大?。╓）

2 計算結(jié)果及分析

2.1 電源模塊流體場分布

散熱器翅片的長度和密度對柜體散熱效果有著重要影響，翅片參數(shù)設(shè)置得越合理，翅片表面和流體之間的熱交換量越大，則系統(tǒng)的散熱性能越好。

圖3 風道流場和流速云圖

圖3（a）為計算完成后電源模塊的內(nèi)部流場示意圖，（b）為截面流速云圖，可以看出散熱器中間部分流速較大，兩側(cè)流速較小。意味著散熱器中間部分翅片與流體熱交換量較大，散熱效果較好；兩側(cè)部分翅片與流體熱交換量較小，散熱效果較差。

2.2 電源模塊溫度場分布

功率模塊及散熱器的溫度云圖如圖4所示，可見整流模塊的溫升最高，最高溫度達到近71.1℃，逆變模塊溫度在52℃左右，充放電模塊溫度相對較低，在42℃左右。從整體上看，各發(fā)熱模塊的溫度分布較為不均勻，發(fā)熱較嚴重的部分集中在右側(cè)，且最高溫度已經(jīng)超過設(shè)計要求所允許的溫度上限70℃，因此尚需對模塊散熱系統(tǒng)進行優(yōu)化，使散熱效果達到設(shè)計要求。

在進行柜體設(shè)計的過程當中，當系統(tǒng)最高溫度超過允許溫度上限時，常用的解決辦法有：采用更大功率的風機、加大散熱器的尺寸、修改柜內(nèi)器件布局等。但是這些方法可能會給系統(tǒng)帶來振動噪聲性能不達標、系統(tǒng)承重增加等新的問題，倘若重新設(shè)計電氣柜體的構(gòu)造則會花費較大的精力。

圖4 功率模塊溫度分布云圖

考慮到散熱器兩側(cè)的風速及流量較小，而損耗發(fā)熱功率最大的整流模塊集中在右側(cè)，只需設(shè)法提升散熱器右側(cè)的風速即可。

3 風路優(yōu)化及結(jié)果分析

3.1 優(yōu)化方法

根據(jù)上述分析，本文提出一種新的風路優(yōu)化思路，即在逆變模塊和充放電模塊對應(yīng)的散熱器位置下方放置一風路阻尼板（如圖5所示），增大該區(qū)域風路的流阻，使其值遠大于整流模塊部分，在不改變風機型號和散熱器參數(shù)的情況下，提高整流模塊部分散熱器的風速和流量。

圖5 風路優(yōu)化示意圖

本案例中，所選用的阻尼板長758.5 mm，寬152 mm，通風孔的直徑為10 mm，開孔率為0.34（空氣能流過的面積與整板面積之比）。

3.2 優(yōu)化后流體場分析

仿真模型中加入風路阻尼板后，重新劃分網(wǎng)格、計算然后得出結(jié)果。由于下方風路阻尼板的存在，即阻尼板上方部分散熱器的風路入口截面積減小，流體流阻增大，散熱器翅片間流體流量降低，因此冷風與翅片之間的熱交換量亦下降。而在風機正常工作，即風機總體風量及風壓未發(fā)生顯著改變時，右側(cè)未放置風路阻尼板的散熱器部分由于流阻較小，因此其間通過的流體流量大，流速快，流體與翅片間的熱交換量亦增加，散熱效果增強。

圖6 優(yōu)化后截面流速云圖

圖6為散熱器下方放置阻尼板后的截面流速云圖，圖7為優(yōu)化前后散熱器翅片風路出口處流速對比圖，表2為各功率模塊所對應(yīng)的散熱器風道出口處的平均流速。

圖7 優(yōu)化前后散熱器流速對比

可以看出，加入風路阻尼板后，逆變模塊和充放電模塊對應(yīng)的散熱器部分的平均流速有所下降，降幅約為0.2至0.4 m/s左右，而整流模塊對應(yīng)的散熱器部分的流速則有較大幅度的增加，增幅約為0.86 m/s，仿真結(jié)果與上述分析是一致的。

表2 各模塊風道流速（m/s）

3.3 優(yōu)化后溫度場分析

根據(jù)上述分析，由于阻尼板上方部分的散熱器翅片間風速、流量較小，翅片與流體熱交換量小，熱量無法傳遞出系統(tǒng)外而停滯，因此散熱效果較差；而阻尼板右側(cè)部分散熱器由于翅片與流體熱交換量較大，熱量能夠較好地傳遞出系統(tǒng)外，因此散熱效果更好。

圖8為優(yōu)化后功率模塊和散熱器的溫度場云圖，圖9為優(yōu)化前后散熱器橫向位置的溫度對比折線圖。可以看出加入風路阻尼板后，由于散熱器翅片各區(qū)域間風速的變化，逆變模塊和充放電模塊的溫度均有所上升，升幅約為3℃，而整流模塊部分的溫度總體上下降了約5℃。表3給出了各功率模塊在優(yōu)化前后的最高溫度大小情況，可見優(yōu)化后各模塊的最高溫度均控制在允許溫度上限70℃范圍以內(nèi)，優(yōu)化后系統(tǒng)的散熱效果達到設(shè)計要求。

圖8 優(yōu)化后功率模塊溫度云圖

圖9 散熱器橫向溫度對比

表3 各模塊最高溫度（℃）

本系統(tǒng)的逆變模塊和充放電模塊的損耗發(fā)熱功率較小，系統(tǒng)達到熱穩(wěn)態(tài)時模塊溫度距離散熱要求上限70℃尚有足夠的裕量，因此在放置阻尼板后散熱效果降低的情況下，左側(cè)逆變和充放電模塊仍然滿足散熱要求。而整流模塊體積小，損耗發(fā)熱功率較大，發(fā)熱集中在右側(cè)，阻尼板的加入會使板右側(cè)邊緣部分小范圍內(nèi)區(qū)域的風速得到較大提升，使得整流模塊部分的散熱效果得以集中強化，故該模塊整體溫升進一步降低了5℃左右，風路優(yōu)化方法取得了預(yù)期中的效果。

4 總結(jié)

1）本文通過建立船用不間斷電源的三維模型，并基于流-固耦合思想利用Ansys平臺下的Icepak軟件，對該電源模型進行內(nèi)部流場及溫度場仿真計算，得到了該模型達到穩(wěn)態(tài)時的流體、溫度分布情況。

2）針對系統(tǒng)發(fā)熱分布不均問題提出了一種新的風路優(yōu)化方法，在不改變內(nèi)部風道結(jié)構(gòu)的情況下優(yōu)化了散熱器各位置的風量分配，有效降低了整流模塊的最高溫度，使得各功率模塊的溫度分布梯度更加合理，優(yōu)化后系統(tǒng)整體滿足散熱要求。該優(yōu)化方法可為電氣柜體散熱設(shè)計提供參考。

[1] 呂永超, 楊雙根. 電子設(shè)備熱分析、熱設(shè)計及熱測試技術(shù)綜述及最新進展[J]. 電子機械工程, 2007(01): 5-10.

[2] 景巍. 大功率三電平變頻器功率器件損耗研究[D]. 徐州: 中國礦業(yè)大學, 2011.

[3] 鄭必成. 繼電器瞬態(tài)溫度場仿真計算及其試驗[D]. 武漢: 華中科技大學, 2008.

[4] 任君鵬, 王棟, 杜志葉, 阮江軍, 周濤濤, 喬春麗, 付劉偉. 強迫空氣冷卻高壓開關(guān)柜三維氣流-溫升仿真分析[J]. 高壓電器, 2017, 53(10): 12-18.

[5] 姜志鵬, 周輝, 宋俊燕, 余軼, 文習山. 干式空心電抗器溫度場計算與試驗分析[J]. 電工技術(shù)學報, 2017, 32(03): 218-224.

[6] 曾非同, 關(guān)向雨, 黃以政, 彭輝, 潘瑞. 基于多尺度多物理場的油浸式變壓器流動-傳熱數(shù)值研究[J]. 電工技術(shù)學報, 2020, 35(16): 3436-3444.

[7] 陳潔茹, 朱敏波, 齊穎. Icepak在電子設(shè)備熱設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 電子機械工程, 2005(01): 14-16.

[8] 盧錫銘. 電子設(shè)備熱仿真及熱測試技術(shù)研究[J]. 艦船電子對抗, 2013, 36(03): 118-120.

[9] 李琴, 朱敏波, 劉海東, 張現(xiàn)亮. 電子設(shè)備熱分析技術(shù)及軟件應(yīng)用[J]. 計算機輔助工程, 2005(02): 50-52.

[10]凌桂龍. Fluent 19.0流體計算從入門到精通[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2019, 9.

Analysis of fluid field and temperature field of marine power module based on fluid-solid coupling

Zhang Yiyao, Long Wenfeng, Xiao Ting, Bie Yu, Chen Ge

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TN86

A

1003-4862（2022）02-0047-05

2021-11-01

張藝耀（1996-），男，碩士。研究方向：電工理論與新技術(shù)。E-mail: yiyaozhang712@qq.com