大型有源相控阵雷达天线阵面风冷优化设计

图 2 高频箱内风量分布
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图 3 高频箱内流场分布
图 4 风机仿真工作点
3 试验验证
结合 CFD 仿真结果，根据高频箱实际结构尺寸，采用 1：1 尺寸模拟半高频箱及内部组 件、电源锯齿形散热器通风部分，并且按照高频箱的结构布局，采用可调速风机进行通风测 试，试验原理如图 5。
在部分翅片模拟件进风口布置风速监测点，用于入口风速测试；在测压口布置风压监测 点，用于压损测试。将风机通电开启，待高频箱内风场稳定后，进行风速和风压数据采集。
针对高频箱结构特点，采用强迫风冷形式进行散热设计。考虑到风机必须安装在高频舱 内，对风机的尺寸有严格限制；另外，采用风冷的内部电子设备通风阻力较大，采用多个直 流轴流风机并联通风。结合高频箱结构设计，风机主要布置在高频舱侧面和底部，出风口均 安装防雨百叶窗；进风口布置在高频后门板上，在进风口同样设置防雨百叶窗和高性能三防 空气过滤器，防止盐雾与水汽直接进入高频箱，从过滤器进入高频箱的冷却风穿过发射组件 和电源的锯齿型散热器进入回风腔，并通过安装在高频箱回风腔两侧和底部的轴流风机抽出， 返回大气空间，同时带走高频箱热量。整个风冷原理如图 1 所示。
Optimization design of air cooling for the antenna array of large active phased array radar
Shu Ying
(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210013, China) Abstract：Hydromechanics simulation software combined with simulation experiment is adopted to analyze and research heat elimination of the air cooling system for the antenna array of the large active phase array radar. The simulation analysis are carried out on the forced air cooling system for the antenna array to calculate the relationship between the wind rate and pressure loss, based on which, the calculation result is compared with experimental result to get a series of industrial reliable and authentic design methods. Consequently, the key technical issue about thermal design of air cooling system in power electronics equipment is resolved. Keywords：Force Air-Cooling, Thermal Design, Simulation
作者简介: 束瑛（1977—），女，工程师，一直从事雷达冷却系统设计。 Email：hon_kk@
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引言
有效的冷却方式是保证功率电子设备能够长期可靠工作的基础。随着功率器件制造技术 的进步，大型电子设备功率密度不断提高，传统的热设计方式已经不能满足现代功率电子设 备的需要。仿真软件模拟设计，在前期设计中的作用越来越突出，激烈的市场竞争要求产品 的研制周期大为缩短，必须在产品的设计阶段精确的分析整个系统的热状态。本文针对某雷 达在现有型号基础上改进型采用开放式强迫风冷，借助 CFD（Computational Fluid Dynamics） 仿真软件进行计算仿真及试验研究。设计前期，合理选择适当风量和风压的风机，合理的通 风换热风道。
通过试验及仿真研究，解决了强迫风冷在大型有源相控阵雷达天线阵面冷却中的关键技 术问题，为今后强迫风冷系统的设计提供了依据和一种可行、可信仿真方法。
参考文献
[1] 陈礼，吴勇华.流体力学与热基础[M].北京：清华大学出版社.2002.8 [2] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社.2002
强迫风冷是对发热元件数量众多，发热密度高的设备进行热控制的一种非常重要的冷却 方式[1]。在保证计算精度的前提下，对大型阵面提取其特性进行简化计算。本文采用模拟件试
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验测试和计算软件仿真两种有效手段相结合的方法，解决风冷热设计的关键技术问题。 本文应用 Flotherm 软件对某雷达阵面高频箱进行仿真计算,给出雷达高频箱内流体速度
4 结论
仿真计算和试验测试结果对比，表明数值的误差均在 25％以内，考虑到一部分的测量误 差，这样的仿真结果工程上可以接受。
仿真云图和测试结果对比，可以了解到阵面内流场趋势大体一致的，这样，前期对于整 个高频箱强迫风冷流场的分布仿真比较真实的反映真实的流场分布，从而对后期的深度设计 提供了设计依据。
的风量、风压。
Q= P ρ C p Δt
（1）
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式中，P—热耗（kW） ρ—空气密度（kg/ m³） Δt—进出风口温差（℃） Cp—比热（kJ/kg·℃）
（1）模型建立 建模的原则是在保证模型的流场和实际的流场尽可能一致的前提下，简化建模。建立高 频箱三维模型，将高性能三防空气过滤器和发射组件、电源的锯齿形散热器分别开口，出风 口模拟成多个风机出口，高频箱分成若干区域。如此建立仿真的模型。有利于将计算结果与 测量结果进行很好的比对。 （2）网格划分 生成网格质量的好坏直接影响模拟结果的精度和耗用 CPU 的时间。为了实现对网格疏密 的控制，首先对计算区域进行分区，对各个分区采用不同的网格划分形式，尽量使用结构化 网格，以提高计算精度，减少网格数量。在计算敏感区，如进出风口、高性能三防过滤器、 锯齿形散热器及参数变化梯度大的区域，单独采用较密网格；在计算非敏感区，参数变化梯 度较小，取较稀网格。 （3）边界条件设置 本项目主要研究送风均匀性问题，因此质量方程和动量方程是主要的计算方程和收敛准 则。空气的紊流流动采用不可压缩 k－ε方程。先对高性能三防空气过滤器和锯齿形散热器分 别仿真，计算出风阻系数。然后在定义边界条件时，高性能三防空气过滤器和锯齿形散热器 的开口，分别利用得出的风阻系数进行赋值计算。风机出风口利用风机性能曲线赋值计算。 （4）后处理 利用 Flotherm 软件的后处理模块，显示阵面风量分配的速度云图，得出整个阵面的流场、 压力场分布。 通过高频箱内流场仿真发现，采用理论设计的风机阵和锯齿形散热器后，电子设备的风 速可达 3.5m/s 以上，如图 2 所示。高频箱内的流场较为均匀，如图 3 所示。风机的工作点也 较合理，如图 4 所示。本设计能满足整个阵面强迫风冷所需风量的要求。
图 1 阵面风冷原理图
2 数值计算及仿真分析
针对本雷达所选择的散热方式和发热量，依据式（1）量计算出所需要的有效散热风量[2]。
由于高频箱内设备众多，系统风道结构形式复杂，按照传统的经验和半经验公式无法进行有
效的计算。这里采用 Flotherm 软件对高频箱内流场进行仿真，确定系统满足雷达散热的需求
大型有源相控阵雷达天线阵面风冷优化设计
束瑛
（南京电子技术研究所，南京 210013） 摘 要：采用流体力学仿真软件结合模拟实验对大型有源相控阵雷达阵面风冷散热进行了系 统的分析研究。首先对阵面强迫风冷系统进行仿真分析，计算得出风量与压降的关系。以此 为基础，结合模拟试验风量、压降与仿真计算结果比对，得出一系列工程上可行、可信的设 计方法，解决了功率电子设备风冷热设计的关键技术问题。 关键词：强迫风冷，热设计，仿真
测试结果表明，高频箱内锯齿形散热器入口的风速平均约有 4.09m/s，比仿真结果要好。 但实际高频箱内部结构要复杂多，存在一定的风阻，因此仿真的结果更为接近实际通风工作 情况。风压测试结果与风机仿真工作点基本相符。
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风机
模拟组件翅片
模拟高频箱
模拟电源翅片
高性能三防空气过滤器
测压口
图 5 试验原理图
场、温度场等特性，与模拟件试验测试结果进行对比，验证强迫风冷热设计方案的可行性。
1 理论设计
某雷达天线系统安装在高频箱内，天线系统内包括数千个辐射单元、近百个发射组件和 数十种电源组件，设备发热量约 40kW，加上太阳辐射，总发热量在恶劣情况下高达 45kW， 因此需要对天线阵面高频箱进行有效的散热设计，以确保阵面设备安全可靠的工作。