摘要: 通过模拟仿真和试验测量, 本文介绍了某ADSL宽带局端插箱散热仿真中风机的扇叶转速设置对于模拟结果的影响： 扇叶的速度设置对于插箱各个槽位的风量分配有很大影响，因此可能造成元器件的温度模拟的重大偏差,在模拟中必须仔细考虑。

关键词: ADSL 局端插箱 Flotherm 热仿真

引 言

随着现代通讯技术的不断发展，通讯产品的功率越来越大，散热量也就相应地增大，传统的热设计方法已经完全不能满足这种技术挑战。而基于计算流体动力学、数值传热学和有限元分析法的现代热仿真技术得到了越来越广泛的应用。本文介绍了某ADSL宽带局端插箱散热仿真中风机的扇叶转速设置对于模拟结果的影响。

1.ADSL局端插箱

ADSL局端插箱是放置于局端的宽带网络设备，作用是通过电话线把用户端的电脑连接互联网络。 插箱（共19个槽位, 包括主控板，用户板）主要由壳体,电路板，风机单元（8个风机），防尘网等，如图1所示。由于是放置在局端的户内设备，根据国际标准规定，应该满足45度的室温要求。

插箱的散热方式是强制风冷，在8个风机的作用下，冷空气从插箱底部进入，流经PCB被加热，加热过的空气从顶部被抽出，如图2所示。

2.平均风速对于PCB上元器件的温度影响

插箱中的用户板布局如图3所示, 在插箱结构中, 影响PCB元器件温度的主要因素是入风口温度和相应槽位的平均风速，图4表示了用户板的上元器件的温度和该槽位平均风速的关系，从图4中可以看出，元器件的温度随该槽位的平均风速的变化是很大的。

3.风机扇叶转动的对气流的影响

对于风扇的建模，主要的参数是风扇P-Q曲线，描述了风机在各种空气压力情况下的流经风机的风量。此系统采用的PAPST 4118N/12风机，P-Q曲线图如图5所示：

图5. 系统风机的P-Q曲线图

同时，Flotherm对于风机的建模又有另外三种选项如图6所示，表示了风机周围空气的速度方向：Normal(不考虑流经风机空气的切向速度)，Angled(空气的流速和轴有夹角), Swirl（考虑由于风机的旋转产生的空气切向速度）。

在扇叶的旋转作用下，一方面产生了轴向的气流运动，同时也产生了切向的空气流动，切向速度随着扇叶转速的增大而增大。

扇页的旋转使风速分布发生了变化如图7，图8所示，可以看出，由于扇页的转动，使风机的外围空气速度增大，风机的轴区域的空气流速变小，直观上看，气流向风机的外围扩张。

图6. Flotherm中风机转速的设定

图7. Fl不同风机转速的风速分布
(左: 风机转速设置为0时的风速分布 右: 风机转速设置为3000RPM时的风速分布)

图8. Fl不同风机转速的风速分布
(左: 风机转速设置为0时的风速分布 右: 风机转速设置为3000RPM时的风速分布)

4.热模拟仿真和风速测量的过程

我们在分析模拟的过程中,把环境温度设为45度, 在风机模型中,使用Swirl的选项，分别把风机的转速设为0RMP,1000RPM,2000RPM,3000RPM (风机的实际转速3000RPM)并分别做出模拟, 并计算每种转速情况下的各个槽位的气流的平均速度。

每个槽位平均风速的测量的方法如下

1． 使用电子风洞测量出整个插箱的风量Q。

2． 制造平均风速测试板，测试板的尺寸和插箱中的电路板一样，板子上钻孔并且放置风速探头,如图9所示。

图9.平均风速测试版

3． 把测试板放在每个槽位中，记录槽位各个探头的风速V1，V2……..V9,并计算出此槽位的平均测量风速Van =（V1+V2+V3+V4+V5+V6+V7+V8+V9）/9。

4． 计算出每个槽位测量平均风速和测量风速的总和的比值In = Van/（Va1+Va2+Va3…+Va19），这个比值说明了的这个槽位的风量相对于全部风量的比值。

5． 计算出每个槽位的风量Qn=Q* In。

6． 计算出每个槽位的平均风速Vn=Qn/A，（A：槽位的截面积）。

5.模拟和测量的结果和讨论

模拟和测量的结果如表1和图10所示

表1. 模拟和测量的结果

图10. 模拟和测量的结果

从如上图表可以看出:

1. 随着扇叶转速的提高,各个槽位的风速波动性逐渐增大,并且越来越接近实测结果,当转速设置为3000RPM时(实际转速3000RPM),和测试结果最为接近。
2. 各个槽位的风速波动性呈现出周期性,一个周期就是一个风机的长度。而且可以看出,正对风机轴的槽位的风速最小,靠近风机边缘的槽位风速最大,原因是由于风机旋转的影响,使风量向着周围扩散,风机中间的风量变小。
3. 风机的转速设置为零时,最小的平均风速是1.51 m/s(槽位12), 当设置为3000RPM时, 最小的平均速度是1.02m/s(槽位12) , 从图4可以看出,芯片BCM6421在两种风速的情况下温度相差20度以上。

6.结束语

1. 虽然在很多情况下，风机的建模型可以不考虑扇叶的旋转，但是在插箱的结构中，扇叶的旋转对于模拟结果有很大影响。
2. 扇叶的旋转会使插箱的各个槽位的风量分布产生不均匀化，正对轴的槽位的风量最小，风机边缘的槽位风量最大，随着转速的增大，这种不均匀化的趋势越来越明显。
3. 产生槽位风量不均匀化的原因是由于在扇叶旋转的作用下，风机风量区域的向外扩展，使风机中部的风量减小。