ATCA机箱中的风冷研究：分析、计算和实验方法的比较
ATCA机箱中的风冷研究：分析、计算和实验方法的比较
ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）机箱中的风冷散热设计是一个复杂而关键的工程问题。本文通过实验、计算和分析建模三种方法，对ATCA机箱的风冷散热能力进行了全面研究。研究结果表明，早期理论分析建模可以作为设计过程的关键方法，然后经过CFD仿真分析建模后，计算流体动力学和实验测试可验证并反复微调方案。
ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）标准即先进的电信计算平台，它脱胎于在电信、航天、工业控制、医疗器械、智能交通、军事装备等领域应用广泛的新一代主流工业计算技术——CompactPCI标准。是为下一代融合通信及数据网络应用提供的一个高性价比的，基于模块化结构的、兼容的、并可扩展的硬件构架。
在设计ATCA产品时，去除多余的热量是最大的挑战之一。另一方面，如果热测试被推迟，直到PCB布局和部件放置完成，可能会导致严重问题。一个满载的ATCA机箱可以包含14到16个板。如此密集的内部系统，由于机箱通常安装在有限的区域，热量累积可能导致组件运行高于其临界结温度。这可能会导致操作不良或设备关闭。
传统的补救方法是空气冷却，即提供足够的强制气流，以保持电路板和元器件在工作温度范围内。
本文研究一个ATCA机箱，来评估其使用三种不同的方法的强迫风冷散热能力，即实验、计算和分析建模。ATCA标准系统由五块板组成，每一块能够耗散200瓦。该系统还包括五个蜂窝式穿孔板，提供一个56%的开孔率和一个入口过滤网。
在三种不同的情况下计算了气流的速度：采用热承载电路板；电路板模拟流动堵塞，但不施加热负荷；用空白电路板模拟不堵塞的流动。实验结果、仿真结果和解析计算结果吻合。
数值模型
ATCA机箱最初采用SolidWorks建模，在导入Flotherm软件中，如图1所示，
图1.ATCA机箱简化模型
图2显示了仿真模拟后处理的流场图，
图2.ATCA机箱中的速度矢量
入口边界、出口边界各6个风扇，环境温度也位于入口。
为了减少计算时间，这些组件不能基于其物理CAD模型进行建模。相反，通过了解它们的损失系数，它们可以用简单的阻力模型来取代。损失系数既可以从制造商那里得到，也可以简单地从解析关系中计算出来。
具体方式，可参考此篇文章内容介绍的方法进行：电子产品的数值风洞模拟
理论分析建模
在这个过程中，使用理论计算分析相关性来检验系统，并将结果与实验值进行比较。在分析机箱的热性能之前，有必要计算出系统中所有子组件的压降，用于计算不同部件的压降和阻力的关系。
总压降（系统曲线）取决于系统中的体积流量。它可以显示为：
其中，
Rj为系统元器件热阻，G为体积流量。
通常，以风扇或风扇托盘形式为机箱输送空气。风扇工作点是系统阻抗曲线与风扇PQ曲线相交的位置。建议在失速范围以下操作风扇。
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关于电子产品中风扇应用的基础知识
这两条曲线的交点是风扇工作点，对应的纵坐标是压力，横坐标是流量。压降通常是由系统中的元器件引起，包含如下，
- 空气过滤器
- 通过风扇叶片的气流的膨胀和收缩
- 入口到箱体的流动弯曲
- 入口气流收缩
- 入口到箱体的膨胀
- 电路板卡组件气流阻塞
- 出口的流动弯曲
- 箱体出风口的膨胀
总压降计算公式为：
其中，Af为风扇风管尺寸，N为一个风扇托盘中的风扇数量。第二项是与入口风机相关的影响总压力的速度压力头。
求解以下方程可以得到系统的压降和体积流量，
实验测试
风扇托盘和模拟电路板由外部电源供电。风扇在48VDC的标称电压下运行，最大热容量200 W下运行。每个模拟板的中部都安装有三个速度传感器。这些传感器还可以测量空气温度。
图3显示了ATCA的测试图，图4显示了电路板图和传感器的位置。
图3.带有ATCA的前视图
图4.带有传感器和热电偶的电路板
在室内进行了四次不同条件下的箱体测试，条件如下，
- 每个板在200W散热量；
- 没有任何散热量；
- 使用空白板测量气流，无组件堵塞或散热；
- 使用一个没有热量的空白板，但电源的侧通风口堵塞。
测试结果表明，满载散热的机箱的平均速度和体积流量均高于无散热的机箱（0.129vs0.115m³/秒）。第三个测试以空白板，与第二个测试（无功耗组件的板）相比，速度略低。空白板的速度下降是由于更均匀的流动和没有气流喷射。与其他系统损失相比，空电路板的压降下降不显著。
第四次测试使用了一块没有热量的空白板，但机箱周围的通风口被堵塞。据观察，通过堵塞通风口，流量实际上从0.108下降到0.096 m³/s。一种可能的解释是，通过阻塞通风口，空气的总出口面积减少了。这将导致系统中出现更多的压降，压降的增加降低了体积流量。
图5、图6和图7显示两种测试方法之间的比较结果。
图5. 速度对比
图6.流量对比
图7.理论分析建模、CDF分析和实验测试的比较结果
CFD计算结果与实验值非常接近。分析模型在实验值的25%范围内。该分析工具的优点是，一旦它在仿真工具中进行仿真，只需几分钟来更改输入并执行“假设”的场景。另一方面，CFD工具需要数小时或数天才能汇聚成一个解决方案。CFD最适合用于不同阶段的验证和微调结果。
关于CFD仿真的相关建议可点击阅读：关于热设计仿真分析的几点建议
结论
一个ATCA机箱系统合理有效的热设计，需要注意气流条件和设备组件的温度。在一个设计良好的ATCA系统中，所有组件都应在其规定的耐温极限内运行。风机应有效可靠地运行，系统应能够在较宽的环境温度范围内运转。
在上述研究中，所有结果基本一致，主要的压降是由于蜂窝状穿孔板、过滤网等的存在。
本研究表明，早期理论分析建模可以作为设计过程的关键方法，然后经过CFD仿真分析建模后，计算流体动力学和实验测试可验证并反复微调方案。