蔡 煜，姚国富，张 波

应用研究

基于FlowMaster仿真的变频器水冷管路优化设计

蔡 煜，姚国富，张 波

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文介绍变频器冷却系统水冷管路优化设计。通过优化变频器水冷管路的管件材料、直径、长度以及支管路串并联方式等降低变频器水冷管路进出口压差，从而降低变频器水冷管路流阻，确保变频器在水冷系统中获取足够冷却水流量。

水冷管路 FlowMasterV7 参数 优化

0 引言

随着电子设备的功能越来越复杂、性能越来越强劲，其热功率密度也随之呈现出越来越大的趋势，原有的强迫风冷逐渐被水冷所取代。高效的水冷系统需要低流阻的水冷管路，否则，会降低整个系统的冷却效率，提高系统对水泵的参数要求，如功率、扬程、振动噪声等。因此，为了提高变频器水冷系统的性能与效率，需要利用专业的仿真软件对水冷管路进行流阻优化设计。

1 优化参数

根据水冷管路的流阻计算公式：=Δ/可知，影响流阻的主要因素是Δ（管路进出口压强差，又称压降）与（流速），压降ΔP主要由沿程阻力损失h和局部损失h构成。其中，沿程阻力损失的计算公式为：h=λ（l/）（2/2），局部阻力损失的计算公式为：h=ζ（2/2）。由上述公式可知，压降Δ受沿程损失系数λ、局部损失系数、管路长度、管路直径等参数影响。另外，在复杂的水冷管路中，总流阻还受各支路串并联关系的影响。因此，在水冷管路中流速不变的条件下，通过对水冷管路管件材料、管件长度、管件直径、变截面管件类型和数量、支管路之间的连接形式等参数进行优化调整，对现有型号的变频器水冷管路进行流阻仿真计算，并对仿真计算结果进行对比分析。

2 仿真模型

变频器水冷管路由功率模块支路、电抗器支路、换热器支路、预充电支路、制动电阻支路等支路与主回路构成。主回路管材选用316L不锈钢，管径DN50；支路管材选用PU软管，管径DN10；换热器支路与制动电阻支路之间采用串联的方式连接。水冷管路三维模型如图1所示。

图1 优化前管路三维模型

为了有效降低变频器水冷管路流阻，我们针对以下内容进行了优化设计：

1）将各支路PU软管改为纯铜管；

2）将各支路管件管径由DN8改为DN10；

3）将换热器支路与制动电阻支路之间采用串联改为并联。

图2 优化后管路三维模型

3 仿真计算

为了获得有效的仿真计算结果，在将三维模型简化为一维模型时，尽量使模型中相关接近实际的使用情况，对包括管件长度、材料特性、接头参数、弯头数量与参数进行合理地设置。此外，我们选用在船舶行业常用的格兰富水泵的性能参数作为仿真模型中流量源的参数进行仿真计算。

水冷管路主要由直管道、弯头、阀门及被冷却元件等几种元件组成。设置边界条件时，需要将直管道、弯头及阀门的参数输入元件中，对于被冷却元件需要对被冷却元件的模型进行三维特性分析或试验测量，得到元件的流量特性曲线，将结果输入模型中。

3.1 管道元件的设置

管道元件的模型如图3所示。

图3 管道元件模型

管道元件主要设置管道内径、长度及内表面粗糙度等参数。

3.2 弯头元件的参数设定

弯头元件的模型如图4所示。

图4 弯头元件模型

弯头元件主要设置弯头的弯曲角度、弯曲半径、内径及内表面粗糙度等参数。

3.3 被冷却元件的参数设置

被冷却元件采用流阻元件代替，流阻元件模型如图5所示。

图5 弯头元件模型

流阻元件需要设置被冷却部件的流量特性数据。可以对被冷却元件的模型进行三维特性分析或试验测量，得到被冷却元件在不同流量下对应的压力损失数据。如表1所示，为某水冷板的流量特性数据。

表1 某被冷却元件流量特性数据

将表中的数据填入流阻元件模型中，可自动拟合成该水冷板的流量特性曲线，如图6所示，一般情况下被冷却器件正向流量特性曲线和逆向流量特性曲线一致。

3.4 边界条件设置

冷却管路的边界设置主要包括流量源和压力边界的设置。

Flow Source：流量源

Pressure Source：压力源

通过流量源和压力源的参数设定，可以进行以下分析研究：

a）给定固定压力边界，可以研究系统流量与压降的关系特性。

b）给定一个压力边界和流量边界，从而研究实现该流量时的驱动压力。

图6 某水冷板的流量特性曲线

一般情况下，在冷却回路的输入端设置流量源，输出端设置压力源。压力源一般设置为固定值，改变流量源的参数可改变冷却回路的给定流量，流量源连接的节点上的压力与压力源的差值即为冷却回路在该流量下的压力损失。

3.5 建立模型并计算

根据实际情况在FlowmasterV7软件中完成边界条件的设置后，对优化前管路模型进行管路压降仿真计算，得到结果如图7所示。

图7 优化前管路模型压降仿真结果

从优化前管路的压降仿真结果来看，总压降约为1.73 bar。为了降低流阻，我们从管件直径、管件材料、支管路串并联方式等方面进行了优化设计，具体优化内容见表1。

我们按照表1中的优化项目将优化后的管路模型整体导入FlowmasterV7软件，在不改变边界条件设置的情况下进行仿真计算，得到结果如图8所示。

表1 部分管件优化前后对比

图8 优化后管路模型压降仿真结果

通过优化设计，优化后的管路模型压降为1.55 bar，管路流阻相较于优化前降低了0.18 bar。

4 仿真与试验结果对比分析

鉴于我们在变频器水冷管路优化前后设置的边界条件未发生改变，可以认定两次仿真计算的结果受相同变量影响，具有可比性。

从两次仿真计算结果可以看出：通过上述对水冷管路的管件材料、管径以及支路连接方式的优化设计，水冷管路经过优化后的压降相比于优化前降低了10.4%，同时，也降低了水冷系统对水泵的功率和扬程要求，进一步提升了水冷系统的性能与效率。经过实际试验验证后，证明优化设计方案合理有效，能够为后续变频器水冷管路的流阻设计提供依据。

[1] 波特(Potter，M.C.)著, 工程流体力学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014.

[2] 帕坦卡著, 张政译. 传热及流体流动的数值计算[M]. 北京: 科学出版社, 1984.

[3] 尤努斯·A. 森哲尔著, 流体力学基础及其工程应用上册（第4版）[M]. 北京: 机械工业出版社, 2020.

[4] R. H. 普莱彻, J. C. 坦尼希尔, D. A. 安德森著. 计算流体力学和传热学第3版[M]. 北京: 世界图书出版有限公司北京分公司, 2021.

Optimal design based on FlowMasterfor water-cooled pipeline of frequency converter

Cai Yu, Yao Guofu, Zhang Bo

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM921.51

A

1003-4862（2022）01-0059-03

2021-05-15

蔡煜（1989-），男，工程师。主要研究方向：电子设备热设计。E-mail: csic712cy@163.com