Thermal environment simulation analysis of UAV electronic equipment cabin
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摘要:
为满足无人机电子设备舱对舱内热环境的严苛要求，文章采用了有限体积法求解温度场的控制方程。根据无人机电子设备舱的材料结构特点和边界条件，应用FLUENT软件进行了设备舱的数值仿真分析；在此基础上提出了搭建支架的散热方案并对舱内热环境进行了模拟。结果显示，采用搭建支架的措施可使电子设备的表面温度降低5 ℃，较好地改善了电子设备舱的散热情况。该研究可为航空航天领域电子设备舱的热设计提供参考。
Abstract:With a view to the strict thermal environmental requirements for electronic equipment cabin of unmanned aerial vehicle (UAV), the finite volume method was applied for solving the temperature governing equations in this paper. Considering the specific features of material structure and the boundary conditions for the UAV electronic equipment cabin, the numerical simulation analysis was conducted via FLUENT software. On this basis, a heat dissipation scheme of building a bracket as the support was proposed, and then the thermal environment inside the electronic equipment cabin was simulated. The results indicate that the surface temperature of the electronic equipment can be reduced by 4 ℃ with the use of the bracket. The proposed research may provide a reference for the thermal design of electronic equipment cabin in aerospace field.
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0. 引言
目前电子设备呈现微型化和集成化的发展趋势。在有限空间内，电子设备集成度越高，功耗越大，导致空间内的热流密度也随之增大。而电子设备的工作可靠性受热环境影响很大。有研究表明，电子元器件的温度每升高10 ℃，其可靠性就会降低50%，这被称为10 ℃法则[1-3]。电子设备失效有55%是由于温度超过额定值引起的，因此降低其工作温度，即使是降低几℃也会使电子设备的可靠性有很大提升[4-6]。
电子设备热失效问题在航空航天领域显得尤为突出，因为其特殊的环境条件和苛刻的工作要求，使得电子设备散热变得更加困难，给电子设备舱的热环境设计带来挑战[7-9]。对电子设备的热仿真和热分析能够比较真实地反映出设备工作时的热环境，从而模拟自然对流换热，确定特定工况下的电子设备温度分布[10-12]，为工程设计提供理论支撑，减少设计所耗费的成本，提高产品设计的成功率[13-15]。
目前对于电子设备的热分析、热设计及热测试方面的研究，国外已经取得了许多理论和工程应用上的成果[16-19]，而我国电子行业起步较晚，相关研究比国外滞后，大多集中在单一热源和密闭空间内的热分析，对于多个复杂热源的热分析、热设计及热测试方面的技术需求重要且迫切 [20-23]。
本文针对某无人机高温天气地面滑跑阶段电子设备舱内环境超温问题，在多个电子设备发热功率一定的条件下，分析设备舱内部的热环境。利用ICEM软件生成计算网格，采用FLUENT软件进行数值模拟计算，通过对计算结果的分析，探讨改善热环境的方法，以期为用于航空航天领域的电子设备舱热设计提供参考。
1. 计算模型
1.1 几何模型及边界条件
本文针对一种典型的无人机电子设备舱的热环境进行模拟。该设备舱舱体为复合材料，舱内8个发热电子设备（编号分别为元件1～8）的功率分别为10、11、130、15、3、45、60及631 W。首先使用CATIA软件建立包含8个电子设备的设备舱三维模型，然后输出、读入到ICEM软件中生成几何模型，如图1所示。其边界条件设置如下：内部电子元件壁面为固壁边界条件，同时每个元件内部根据发热量设置为体积内热源；设备舱前后部取对称边界条件；认为电子设备壳体涂黑漆，为不透明体，表面向内的发射率（internal emissivity）取0.9；根据无人机在地面滑跑阶段的速度，计算出舱壁与外界空气对流换热系数在160 W/(m2·K)量级，将其作为舱体外壁的对流换热条件。
1.2 计算网格及求解器设置
网格的类型、质量和数量对于计算结果的准确性有很大的影响。结构网格在附面层控制方面具有优势，非常适用于流动和传热方的计算，针对本文研究的构型，其网格质量高于非结构网格，对于提升计算精度有很大的帮助，因此本文采用结构网格进行网格生成。应用ICEM软件对模型进行BLOCK划分、映射、节点调整和节点个数类型设置，网格分区如图2所示；同时，对舱壁面、电子设备机箱壁面的边界层网格作加密化处理，通过试算来控制壁面附近第一层节点的无量纲距离符合湍流模型需求。无人机电子舱的网格划分如图3所示，网格独立性验证在下节阐述。
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图 2 无人机电子设备舱的内部网格分区示意Figure 2. Schematic of the internal grid partition for the UAV electronic equipment cabin![]()
图 3 人机电子设备舱壁面网格示意Figure 3. Schematic of the grid for the UAV electronic equipment cabin wallFLUENT软件采用有限体积法对流体控制方程进行离散，这种方法对于网格和复杂构型的适应性更强，计算中采用Reliable k-ε湍流模型，近壁区处理采用增强型壁面函数，可以更好地适应近壁第一个节点无量纲距离的变化，离散格式采用三阶MUSCL格式，辐射采用DO方法。
流体介质是空气，由于需要考虑自然对流，故设置空气密度为incompressible-ideal-gas，空气的其他材料参数使用缺省值；同时压力速度耦合采用SIMPLE算法，并对压力选择Body Force Weighted方法，湍流模型中激活Full Buoyancy Effects。计算过程中首先采用一阶格式加快收敛速度，然后换为三阶格式提高精度。
1.3 网格独立性验证
为了保证计算精度，开展了网格独立性验证。采用520万、720万和960万3种量级的网格数量，计算条件为环境温度40 ℃的工况。
图4为不同数量网格下的y切面速度场分布，可见，3种网格数量条件下的流场结构基本相似，网格数量720万和960万的更为接近。
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图 4 不同网格数量下无人机y切面速度场分布Figure 4. Velocity field distributions on y-section of UAV with different numbers of grids图5为3种网格数量格下8个电子元件的表面平均温度对比，可见其差异非常小，说明网格已经达到独立。由于后续需要进行热环境改善的研究，为了更好地捕捉流场特征，在加密边界层网格的前提下，将网格节点数控制在1000万量级（其中原始构型网格数量960万，考虑支架结构导热的构型网格数量1200万）。
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图 5 不同数量网格下电子元件表面平均温度对比Figure 5. Comparison of average temperatures of electronic component surfaces with different numbers of grids2. 计算结果和讨论
针对无人机高温天气地面滑跑阶段的环境温度，仿真分析了设备舱外部空气温度为40 ℃、20 ℃和30 ℃工况下电子设备舱内空气流场分布，以及舱内温度和电子设备表面温度分布。
2.1 外部温度为40 ℃工况
2.1.1 速度场分布
外部温度为40 ℃时无人机电子设备舱内空气流速分布如图6所示，可见：舱内空气形成了明显的自然对流，靠近130 W和630 W等发热功率较大的电子设备的舱壁面附近的气体流动速度较快，最高接近0.5 m/s，而在远离发热设备的区域则流动速度较慢。这与温差导致空气密度变化、在重力作用下形成自然对流的物理成因比较符合。
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图 6 外部温度为40 ℃时的电子设备舱内空气流速分布Figure 6. Air velocity distributions in the UAV electronic equipment cabin at an external temperature of 40 ℃2.1.2 温度场分布
在外部环境温度为40 ℃的工况下，当舱内只存在自然对流和辐射换热时，舱内温度及电子设备表面温度分布如图7所示，可见：舱内温度在60 ℃量级；电子设备的表面温度，最高的是元件3（功率130 W）的118 ℃量级，其次是元件8（功率631 W）的100～103 ℃，元件7（功率60 W）的约为80 ℃，其他的约为60 ℃。其中元件8虽然功率最大，但其散热面积也最大，因此其表面温度并非最高；同时，由于自然对流的作用，热空气上浮，使得上半部电子设备所处的热环境更为恶劣，因此后续分析中重点关注元件3的温度情况。
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图 7 外部温度为40 ℃时舱内温度及电子设备表面温度分布Figure 7. Temperature distributions inside the cabin and on the surfaces of electronic equipment at an external temperature of 40 ℃2.2 外部温度为20 ℃和30 ℃工况
2.2.1 速度场分布
外部温度为20 ℃和30 ℃时无人机电子设备舱内的空气流速分布如图8所示。对比图6(a)可见，两者的速度场分布基本相同，但是20 ℃和30 ℃工况下的空气流速稍大。这是因为舱壁温度与电子设备的温差增大，所以形成的自然对流更强，比较符合实际情况。
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图 8 外部温度为20 ℃和30 ℃时电子设备舱内的空气流速分布Figure 8. Air velocity distributions in the UAV electronic equipment cabin at external temperatures of 20 ℃ and 30 ℃2.2.2 温度场分布
外部温度为20 ℃和30 ℃时舱内温度分布如图9所示。外界自由温度的降低促进电子设备的散热，各个电子设备的表面温度都有所下降，其中温度最高的依然是功率为130 W的元件3。外部温度为20 ℃时舱内温度在40 ℃量级，元件3的表面温度达到102 ℃；外部温度为30 ℃时舱内温度在52 ℃量级，元件3的表面温度达到110 ℃。
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图 9 外部温度为20 ℃和30 ℃时电子设备舱内温度分布Figure 9. Temperature distributions in the UAV electronic equipment cabin at external temperatures of 20 ℃ and 30 ℃从以上2种工况下的仿真结果来看，舱内电子设备的温度过高，这会对其正常工作造成不利影响，而且也增大了电子设备的失效率，因此需要采取散热措施来改善热环境。在接下来的散热方案中，将研究在40 ℃工况下电子设备舱的散热情况，用最恶劣的环境状况来验证方案的可行性。
2.3 增加支架结构且外部温度为40 ℃工况
目前无人机上配备的支架结构主要起固定和支撑作用，并未进行支架导热相关设计，连接面处的接触热阻较大，但是考虑到支架结构也可以起到热桥作用，因此在不增加主动冷却设备的原则下，进行了一种简化支架条件的计算，来评估支架的热桥作用对热环境改善的影响：如图10所示，主支架宽度为50 mm，与电子设备接触的支架宽度为15 mm，支架厚度为2 mm，支架材料为钢，支架与蒙皮相连，计算中考虑忽略连接面热阻的理想情况。
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图 10 考虑简化支架的中部电子设备舱几何图Figure 10. Geometry diagram of the central electronic equipment cabin with the simplified bracket2.3.1 速度场分布
增加支架结构，外部温度为40 ℃时电子设备舱内空气速度场分布如图11所示。与图6的不加支架时的速度场相比较，二者基本相同；增加支架后电子设备舱内形成了自然对流，空气最大流速在0.3～0.5 m/s量级。
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图 11 外部温度为40 ℃时的电子设备舱内空气流速分布（增加支架）Figure 11. Air velocity distributions in the UAV electronic equipment cabin at an external temperature of 40 ℃ with the bracket2.3.2 温度场分布
考虑支架结构的热桥作用后，外部温度为40 ℃时电子设备舱内温度场分布如图12所示。与不增加支架的温度场（图7）相比，增加支架结构后舱内温度为58 ℃，元件3（130 W）的表面温度为113 ℃，较无支架情况下的温度下降了5 ℃，舱内温度在60 ℃，说明增加支架结构的导热通路取得了一定的强化散热作用。
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图 12 外部温度为40 ℃时的舱内温度分布及电子设备表面温度分布（增加支架）Figure 12. Temperature distribution inside the cabin and on the surfaces of electronic equipment at an external temperature of 40 ℃ with the bracket支架的热桥作用虽然不能使得舱内空气温度量级明显降低，但是电子设备支架一方面增加了设备表面的散热面积，另一方面起到了热量重新分配的作用，降低高温电子设备的温度。一般来说，若配备主动冷却热备对于舱内热环境改善会有更为明显的效果，但是由于超温现象主要出现在无人机地面滑跑阶段，增加相关设备将提升系统复杂度，而在原电子设备支架结构设计中充分引入热桥作用可以简化系统组成。
3. 结论
本文针对某无人机地面滑跑阶段电子设备超温问题，建立了电子设备舱热环境分析计算模型，采用数值模拟方法评估了电子设备舱在不同外界温度下的热环境特性，结论如下：
1）不考虑支架结构时，在40 ℃高温工况下，电子设备舱内环境温度较高，达到了60 ℃，而电子设备壳体表面温度最高可达118 ℃。
2）不考虑支架结构时，外界环境温度的降低能够增加舱内空气的自然对流，使舱内温度降低。
3）目前的支架结构配置主要起到支撑和固定作用，设备表面与支架的接触面较小，同时支架的热通路也较为复杂。对简化后支架结构的计算结果表明，支架结构的存在可使电子设备表面温度降低5 ℃左右，起到了强化散热的作用。实际工程设计中，通过减小连接面接触热阻、增加设备表面与支架接触面积以及缩短导热通路等方式，预期能够进一步降低电子设备表面的温度，可为航空航天领域电子设备热设计提供一种新的思路和方法。
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图 2 无人机电子设备舱的内部网格分区示意
Figure 2. Schematic of the internal grid partition for the UAV electronic equipment cabin
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图 3 人机电子设备舱壁面网格示意
Figure 3. Schematic of the grid for the UAV electronic equipment cabin wall
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图 4 不同网格数量下无人机y切面速度场分布
Figure 4. Velocity field distributions on y-section of UAV with different numbers of grids
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图 5 不同数量网格下电子元件表面平均温度对比
Figure 5. Comparison of average temperatures of electronic component surfaces with different numbers of grids
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图 6 外部温度为40 ℃时的电子设备舱内空气流速分布
Figure 6. Air velocity distributions in the UAV electronic equipment cabin at an external temperature of 40 ℃
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图 7 外部温度为40 ℃时舱内温度及电子设备表面温度分布
Figure 7. Temperature distributions inside the cabin and on the surfaces of electronic equipment at an external temperature of 40 ℃
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图 8 外部温度为20 ℃和30 ℃时电子设备舱内的空气流速分布
Figure 8. Air velocity distributions in the UAV electronic equipment cabin at external temperatures of 20 ℃ and 30 ℃
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图 9 外部温度为20 ℃和30 ℃时电子设备舱内温度分布
Figure 9. Temperature distributions in the UAV electronic equipment cabin at external temperatures of 20 ℃ and 30 ℃
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图 10 考虑简化支架的中部电子设备舱几何图
Figure 10. Geometry diagram of the central electronic equipment cabin with the simplified bracket
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图 11 外部温度为40 ℃时的电子设备舱内空气流速分布（增加支架）
Figure 11. Air velocity distributions in the UAV electronic equipment cabin at an external temperature of 40 ℃ with the bracket
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