基于Flotherm阻尼模型3G通讯设备系统热仿真.doc

基于Flotherm阻尼模型3G通讯设备系统热仿真来源：发布日期：2009-8-27浏览人数：2806 1引言 随着国内3G牌照的发放，加速通讯设备升级换代，通讯设备朝着大容量、小型化、智能化等方向发展，直接导致设备功耗密度增大，热问题已经逐渐凸现，成为制约产品开发的技术瓶颈之一。同时热问题引发的工艺、品质、成本、可靠性等问题逐渐增多，严重影响产品可靠性和产品开发进度。热设计是可靠性设计重要组成部分，其设计优劣直接决定设备可靠性与使用寿命。大型通讯设备热设计更为重要，目前业界普遍采用数值仿真方法进行产品热设计，其优点不再叙述，大型通讯设备数值热仿真一般包括系统与单板仿真两个层面，系统热仿真从全局角度出发，主要关注风扇选型、系统风道及风量分布、进出风方式、防尘及噪音等，务必做到系统风量满足系统功耗需求，单板风量满足单板功耗需求。单板热仿真是在系统热仿真的基础上，对单板布局进行优化，力争单板热设计最优化。二者关系好比平衡两端，要彼此平衡，不能顾此失彼。系统热仿真不合理，无法为单板提供必要的需求风量，必然增大单板热仿真难度，明显特征是单板需求风量不足，单板温升整体偏高。且系统热仿真属于热设计上游工作，根据系统热仿真制定的系统散热方案基本确定产品散热能力、热设计水平及后续升级扩容能力，鉴于系统热仿真的重要性，本文结合具体案例，详细介绍系统热仿真操作流程与方法，重点介绍数值风洞和阻尼模型在系统热仿真中的应用。限于本文讨论重点及篇幅，系统热仿真优化及单板热仿真等内容没有详细展开。 2 热设计目标及功耗 2.1系统热设计目标 确定设备应用环境（包括应用类别和环境条件）。该设备应用类别：有气候防护场所室内固定应用，环境条件：整机应保证性能工作温度-545；系统温升不超过15，系统内部最高空气温度不超过65；系统声功率噪音不超过7.2bels。系统热仿真要实现系统热设计目标并保证一定设计余量。 2.2系统组成及功耗分布 系统功耗按3000W进行系统热设计，单板功耗按70W进行单板热设计。 图1系统组成及功耗分布 2.3系统热设计理论评估 需求风量根据空气流量法计算。依据经验采用常规强制风冷散热技术可以提供1.31m/s风速，根据系统热耗、结构参数及热设计目标制定的热设计方案理论评估可行。 3系统风扇选型 系统所需风量按下式计算 实际所需的风量，m3/h；系统总的热耗，W；空气的温升，；空气密度（kg/m3）空气的定压比热（J/kg）。 系统总热耗约2890W，温升不超过15，计算风量365.4CFM，考虑到1.5倍裕量，系统风量为548.1CFM。插箱各槽位最大热耗70W，三层单板累计最大功耗180W，按温升不超过15设计，单板槽位风量22.8CFM。依据系统需求风量进行风扇选型。该系统采用底层吹风与顶层抽风相结合风扇配置方案，增大设计冗余同时兼顾风扇更换需求。 4数值风洞模型及其应用 对于大型通讯设备往往由多种不同功能单板组成，如果建立详细仿真模型，工作量非常大，网格数量太大导致无法计算或模型动态响应差，而且在系统仿真阶段无法获得详细单板模型，考虑到系统热仿真主要获取系统流量及分布等参数，因此在系统热仿真模型采用体积阻尼模型替代单板模型，这样大大简化系统模型，提高系统热仿真精度和动态响应速度，同时也为更为复杂系统热仿真提供可能，数值风洞建模过程如图2所示。 图2数值风洞建模示意图 根据典型单板经验模型建立数值风洞模型如下图3所示。模型不包括PCB主板（在系统仿真模型中建立），对数值风洞施加不同风速边界条件计算相应风速下的系统压损，绘制图4所示阻力特性曲线，然后根据相关公式或图5所示Flotherm官方网站提供的阻尼系数计算程序，获得该数值风洞体积阻尼系数。 图3典型单瓣数值风洞模型 图4系统阻力特性曲线 系统压力损失与来流风速函数关系： 根据上图曲线计算阻尼系数：A=3.454E+05；B=11.7 图5Flotherm官方网站提供计算程序 5 系统热仿真 5.1系统模型 单板模型用立体阻尼替代，阻尼系数通过上述数值风洞计算获得。系统风道说明： 1）进风口高3U，通风率不小于70%； 2）功能插箱上下网板通风率不小于60%； 3）机柜顶板通风率不小于60%； 4）底层风扇与最下面插箱之间的距离为1U； 5）顶层风扇与最上面插箱之间的距离为0.5U。 6）风扇插箱为整体式，插箱底板不允许有网孔。 7）风扇在前后方向尽量处于中间位置。 8）系统采用均布热源，单板的模型用立体阻尼来模拟，阻尼系数用数值风洞来计算的。 图6单板及阻尼模型示意图 图7系统热仿真模型 图8温度分布图 系统温度及速度分布如图8、图9所示。 5.2系统热仿真结果 图9速度矢量图 5.3系统热仿真分析 依据系统热仿真结果提取对应槽位风量（CFM）参数，分布如表2所示： 从风量指标看：系统流量597CFM，远大于需求风量353CFM，这样可以考虑常温下降低风扇转速以满足系统噪音指标要求；单板槽位风量分布均匀，基本都在30CFM左右，满足单板槽位风量要求；系统温升8.9，系统热仿真结果达到系统热设计目标，并有一定设计余量，系统热设计方案可行。 4 热模拟及系统热测试 系统热模拟测试采用水泥电阻作为发热源，在单板上均匀布置水泥电阻，水泥电阻分布根据仿真阻尼系数确定，目的即保证系统发热均匀又保证系统模拟风量与系统仿真风量一致，从而保证热测试系统温升准确。通过系统热模拟测试，系统温升9.7，超出仿真温升0.8，满足系统温升指标要求。在产品工程样机制作阶段，针对系统热设计指标进行测试，根据测试结果系统温升11.1，超出系统热仿真2.2，系统热仿真误差18%，满足工程设计要求。5 结语 本文以某3G通讯设备为例，全面深入介绍系统热仿真在通讯设备热设计中的应用，并通过工程样机系统热测试，验证系统热仿真的正确性，系统热仿真精度到达18%，满足工程设计要求。为提高系统热仿真模型精度和模型动态响应速度，采用立体阻尼替代单板模型，极大简化系统热仿真模型。立体阻尼系数根据典型单板数值风洞模型仿真获得。系统热仿真方法总结如下： 1）首先，根据设备功耗、结构参数及热设计目标制定初步热设计方案，并根据经验和理论评估该散热方案可行性，特别是根据系统功耗密度和需求风速评估系统热设计方案可行性。 2）其次，根据初步系统热设计方案建立系统热仿真模型，然后进行仿真分析及优化，确定最佳热设计方案，确保热仿真结果满足热设计目标。 3）最后，根据热测试