某电子方舱空调风道优化设计

某电子方舱空调风道优化设计

王聪，黄悦翔，冯逸飞

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

摘要：电子方舱空调风道作为空调系统的重要组成部分，其设计好坏直接关系空调效能的发挥。本文以某电子方舱空调风道为研究对象，通过CFD的方法对风道结构进行优化设计。首先，阐述了CFD的理论基础；然后建立风道仿真模型并进行仿真分析，得到风道内的流速突变及涡流区域；对造成流速突变及涡流现象进行原因分析，确定风道结构的优化方案；最后对优化后的风道再次进行仿真计算，结果表明，流速突变及涡流现象有明显改善，所有出风口总风量提升约30.3%，设备舱出风口风量提升约53.6％。本文提供的方法和优化思路，能够为同类方舱的风道设计提供参考。

关键词：电子方舱；风道；CFD；优化设计

Optimal design of an electronic shelter air conditioning duct

WANG Cong, HUANG Yue-xiang, FENG Yi-fei

(The 30th Research Institute of CETC, Chengdu 610041, China)

Abstract: As an important part of air conditioning system, the design of electronic shelter air conditioning duct is directly related to the performance of air conditioning. This paper takes an electronic shelter air conditioning duct as the research object and optimizes the duct structure by CFD method. Firstly, the theoretical basis of CFD is expounded. Then,simulation model of the air duct is established and the simulation analysis is carried out to obtain the velocity mutation and eddy current region in the air duct. The causes of abrupt velocity change and eddy current phenomenon are analyzed, and the optimal scheme of air duct structure is determined. Finally, the optimized air duct is simulated again, and the results show that the velocity mutation and eddy current phenomenon are obviously improved, the total air volume of all air outlets is increased by about 30.3%, and the air volume of the equipment cabin air outlet is increased by about 53.6%. The methods and optimization ideas provided in this paper can provide reference for the design of similar shelter air duct.

Key words: electronic shelter; air duct; CFD; optimal design

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0引言

电子方舱的集成度越来越高，舱内的热流密度随之也越来越高[1]。在系统总体设计时，设计人员通常设计空调系统控制方舱内部环境，其中空调风道是空调系统的重要组成部分。风道设计的合理性直接影响舱内的温度分布、风量分配、流场分布等[2]，进而决定空调效能是否正常发挥。目前方舱空调风道通常是由设计人员根据以往工程经验设计，待系统集成后，才能验证风道设计的合理性。通过经验设计的空调风道一旦出现风量分配不均的情况，很难快速直观地定位风道设计问题[3]，且优化整改过程费时费力，影响产品交付进度。

借助流体力学的理论及方法，运用计算流体动力学分析（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件在空调风道方案设计阶段进行风道内流场的数值模拟，能够提前发现风道设计缺陷，并进行设计优化，从而提高

设计效率。本文以某电子方舱空调风道为研究对象，运用Fluent软件开展风道流场的仿真分析，进行风道结构优化研究。

1 CFD理论基础

1.1流场控制方程

CFD方法是通过数值计算的方法求解流场控制方程离散数值解的一种方法。流场的控制方程[3]如下：

连续性方程：

（1）

式中：：流体的密度；：时间；：速度在方向上的分量。

动量方程：

（2）

（3）

（4）

式中：：流体微元的压力；：流体速度矢量；：微元表面粘性力的分量；：微元上的体积力。

能量方程：

（5）

式中：：流体的速度矢量；：温度；：流体的传热系数；：比热容；：粘性耗散项。

1.2湍流数学模型

根据公式（6）计算雷诺数，确定风道内的流动状态为湍流流动。

=（6）

式中：：流体的密度；：流速；：特征的长度；：粘性系数。

通常对风道内的流场进行稳态计算，使用最多的湍流模型是Standard 模型，该模型具有计算量适中，数据积累丰富，精度高的特点。该模型采用湍流动能和湍流耗散率来表示[3]，其中：

湍流动能的方程：

（7）

湍流耗散率的方程：

（8）

式中：：流体的密度；：动力粘度系数；：湍流黏性系数；：湍流动能生成项；=1.44，=1.92，=1，=1.3。

2  风道模型及仿真分析

2.1风道模型

根据方舱内部的功能分区及空间布局，设计空调风道，如图1所示。

图1 方舱风道模型图

空调风道由工作舱风道、分支风道以及舱备舱风道组成。其中，工作舱风道位于工作舱的顶部，设备舱风道位于设备舱底部，工作舱与设备舱为两个独立空间，工作舱风道与舱备舱风道通过分支风道联通。空调风经风道入风口进入工作舱风道，再分别通过工作舱风道上的出风口A1、A2、A3、A4、A5、A6送入工作舱；分支风道将工作舱风道的风导入设备舱风道，再分别通过设备舱风道上的出风口B1、B2、B3送入设备舱。

2.2 仿真分析

利用三维建模软件创建风道流体计算域模型，然后通过ANSYS DesignModeler的模型接口导入ANSYS，再利用ANSYS Meshing进行网格划分，得到风道流场计算域的网格模型，如图2所示。

图2风道网格模型

将网格模型导入ANSYS Fluent，依次进行模型定义，边界条件设置，求解方法设置，初始化设置，求解计算。最后，对计算结果进行后处理，得到风道内流场的速度矢量云图，如图3所示。

图3风道内流场的速度矢量图

从图3可以发现，风道的a、b、c区域的有流速突变及涡流现象。风道出风口风速并计算风量及风量分配比例见表1。

表1出风口风量及风量分配比例

3优化设计

3.1问题分析

风道内的流速突变及涡流现象，会导致气流在风道内的流动阻力增加，从而产生局部压力损失[4]。风道上在局部压力损失产生部位后方设置的出风口风量会因局部压力损失降低，进而影响空调工作效能的正常发挥。因此，需要对a、b、c区域的风道结构进行优化设计，尽可能减少风道内部的局部压力损失。

流速突变及涡流现象产生的原因分析如下：a区域是工作舱风道的入风区，由于空调的安装结构导致出风口与工作舱风道存在高度差，气流需通过风道前端的导流罩导入主风道，由此产生流速突变及涡流现象；b区域是分支风道的入风区，气流经过两次直角弯折，导致流速突变及涡流现象；c区域是设备舱风道的入风区，由于设备舱风道下方过线需要，设备舱风道入口截面减小，从而导致流速突变及涡流现象。

3.2结构优化

通过上述分析，结构优化方案如下：a区域将导流罩前端面的立面改为斜面，为气流提供导向作用，以减小气流进入工作舱风道阻力；b区域将直角折弯改为斜导流罩，直接与工作舱风道连接，避免气流方向连续变化；c区域增大设备舱风道拐角导流罩宽度，加大设备舱风道入口截面，以减小气流流入设备舱风道阻力。a、b、c区域风道结构优化前后对比，如图4所示。

图4 a、b、c区域风道结构优化前后对比

3.3 仿真结果及分析

图5优化后风道内流场的速度矢量图

按照仿真分析流程，对结构优化后的风道进行流场仿真，得到优化后风道内流场的速度矢量云图，如图5所示。

a、b、c区域优化前后在相同截面处的速度矢量对比如图6所示。

图6 a、b、c区域风道结构优化前后速度矢量对比

从优化后的a、b、c区域的速度矢量图可以看出，a、b、c区域内的涡流现象及流速突变现象明显改善。风道内气流的最高流速由31.75m/s下降至22.99m/s。

优化后风道出风口风速并计算风量及风量分配比例见表2。

表2出风口风量及风量分配比例

经统计，优化前出风口的总风量为638.3m3•h-1，优化后出风口的总风量为831.8m3•h-1，总风量增加193.5m3•h-1。优化前设备舱出风口的总风量为241.8m3•h-1，优化后设备舱出风口的总风量为371.4m3•h-1，风量增加129.6m3•h-1。

4结论

仿真结果表明，a、b、c区域的结构优化措施有效，优化后总风量提升约30.3％，设备舱风量提升约53.6％。由此得出如下结论：

（1）CFD的方法能够快速直观地定位风道的设计缺陷，通过分析风道流场的速度矢量图，对流速突变及涡流区域提出结构优化方案，能有效提高风道设计合理性；

（2）风道截面及流向突变会导致流速突变及涡流现象，使气流在风道内产生局部压力损失，进而影响总出风量，在风道设计时风道截面及流向应避免突变，尽量缓变。

本文主要通过CFD的方法，优化风道局部区域的结构，改善风道内部的流速突变及涡流现象，从而减少风道内气流的局部压力损失。其实风道出风口处最终的流速还受到沿程压力损失的影响，而沿程压力损失与风道的长度及截面相关，因此，合理的风道长度及风道截面值得进一步研究。

参考文献

[1]李卫洲. 基于ICEPAK软件的电子方舱热设计[J]. 无线电工程, 2011, 41(8): 55-57,61.

[2]王淑坤, 赵浩鸣, 刘伟. 基于CFD汽车空调风道分析与优化[J].机械设计, 2018, (35): 44-47.

[3]陆嘉伟. 某车载方舱风道结构优化设计研究[D]. 南京：南京理工大学，2019.

[4]王良柱, 张蒙, 徐静, 等.基于Fluent的汽车空调风道仿真及结构改进[J].机械, 2021, 1(48): 30-36.

作者简介：王聪（1989-），男，硕士学位，工程师职称，主要从事军用电子设备结构设计及军用电子车辆集成设计工作。

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