基于流固耦合的通信基站通风管结构优化设计

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摘要：通过对现有基站结构的热工特性分析，提出了采用流固耦合的自然空气对流来进行降温节能的方案。采用有限元的分析方法对通信基站建模，比较了三种通风管安装结构下的温度仿真模型，对不同材质的基站进行分析对比，得到了一种最佳安装结构及通风管的直径和安装高度。

关键词：流固耦合；通信基站；有限元分析；正交试验

0前言

目前，各种各样的通信网络已完全覆盖了世界的每一个角落。完成这一伟大现代通信系统除了需要大容量高可靠的核心通信网（如光缆、微波以及卫星等）以外，还需要数量庞大的通信基站来完成与最终用户的通信对接。可以说，通信基站在这一张世界通信大网中占据了举足轻重的地位。它不仅数量庞大，而且直接与用户发生关联。就拿我国通信网络来说，目前我国主要有三大通信运营商，分别是中国电信、中国移动以及中国联通。每一个运营商在我国的天涯海角都布满了通信基站。基站通风管结构优化设计，主要是能做到充分利用自然对流，最大程度降低基站室温，达到经济利益最大化。

1理论依据及计算原理

本文利用固定在在通信基站铁塔上通风管，可以形成基站内和通风管出口处的高度差。通风管安装在通信基站的顶部，正常工作时，通信基站内的开关电源、STB主设备、传输节点设备等主要发热设备所产生的热量，以及在夏季由太阳直射产生的热量，这些热量使处于通风管低端基站内的热空气密度较低，从而上升并自动汇集到基站内的顶部位置，然后自行沿通风管向上运动。随着热气流的运动，基站内外的自然风不断对流交换，由此实现带走多余的热量，促使基站内不再形成热量的堆积，是一种完全利用自然能达到基站降温目的有效方法。

1.1热自排效应

对于“热自排效应”的定义，普遍的说法是指空气沿着有垂直坡度的空间上升或下降，造成空气加强对流的现象。因此从结果上讲，“热自排效应”的作用是为了增强对流，利用强化对流来散热。

从成因上讲，热空气的上升，冷空气的下降，即密度差的推动产生了“热自排效应”，如下图：

密度差的推动体现在重力势一项，在出口处空气密度大，垂直高度大，所以管道的出口处重力势大于入口处，这是“热自排效应”产生的第一推动力。

另一方面，管道往往高高矗立，那么在管道出口端通常或强或弱的受到空气流动（风）的影响，所以出口处得气流速度比较高。而入口端通常连接热源，空气流动较弱，也就是图中的v2大于v1，这使得管道出口处的动压大于入口处的动压，这是“热自排效应”产生的第二推动力。

综合两方面原因，气流在管道出口处的重力势和动能都大于入口处，导致入口处的静压要强于出口处的静压，受静压的推动，气流从管道底部流向顶部，产生了强化对流的效果。

1.2自然对流换热控制方程

自然对流即流体在没有外界驱动力但是仍存在运动的现象，引起流体这种运动的内在力量是温度差或者组分的浓度差，自然界和工程技术问题中存在着大量因温度差引起密度差异，最终导致流体发生运动的现象。

在不考虑多组分流体质量传递的前提下，对热换流的数学描述由质量守恒（即连续性方程）、动量守恒和能量守恒方程组成。为了在建立对流换热数学模型时简化分析，突出主要矛盾，对流体作以下假设：（1）连续性介质；（2）低速二维定常流动；（3）牛顿型流体；（4）常物性，不可压缩；（5）没有内热源（包括因高速流动产生的粘性耗散热以及化学反应生成的热量）。

1.2.1连续性方程

将流体视为连续性介质，并规定不存在内部质量源，根据质量守恒定律，流入与流出控制体积的质量流量之差额必定等于控制体积内质量随时间的变化率。由此得到不可压缩流体的质量守恒定律表达式，即连续性方程：

合并的两项即为浮升力，可以得出它是体积力和压力梯度组成的。

1.2.3能量微分方程

能量微分方程用来描述流体发生对流换热时的温度场，实际上它是开口系统流体的能量守恒原理在对流换热情况下的具体应用。

低速流动且无内热源时的能量微分方程为：

方程的右侧为导热项，即扩散项，形式上它与导热微分方程一样，左侧是对流项，他反映了流体的运动和掺混对热所起的作用。对流换热能量微分方程实际上反映出流体中的热对流机制与扩散机制之间存在着一种内在的守恒关系。

2正交试验优化

正交试验设计是在科研及生产实际中比较容易掌握的最具有使用价值的一种实验设计方法，并且他更是一种研究与处理多因素试验的一种科学方法。根据试验的因素数和各因素的水平数，选择适当的正交表来安排试验和进行试验，并通过较少次数试验来获得试验数据，采用数理统计的方法处理这些数据，可以方便地找到诸多因素中对试验指标有显著影响的主要因素，确定使试验指标达到最佳的因素水平。另外，试验需要用到的因素即为影响最后指标的各个自变量，而水平则为各因素对应的变化量，一般遵循均匀性原则。一般正交试验所需的次数至少为因素水平数的平方，例如对于一个3因素3水平的实验，至少需要做32=9次试验，但是这仍然比全试验次数33=27次数少很多，在试验因素更多时对应的全试验次数会更多，对于4因素3水平试验，全试验需34=81次，因此正交优化试验能有效减少试验次数，但是对于因素和水平很多的试验，正交试验就显得很乏力，因为试验次数还是很多，就需要利用其它的优化方法。本次基于流固耦合的通信基站通风管结构优化设计试验，因素只有两种，出风孔的直径和高度，水平数则有很多，水平变化步长要求较高，相对实验次数也会很多。

4结束语

经过分析计算，利用自然风冷源，通过在基站铁塔上安装通风管道，有效地增加了空气的对流速度，完全摈弃了国内智能新风设备中的风扇电机，极大减少了空调的使用时间，从而达到了节能减排的目的]。本文对工程实际中的基站进行热力学建模，采用空气流体力学模型进行分析计算，得出了排风管道的最有高度，并比较了各种安装方式下的温度场分布图，得到了有效的安装方法。

参考文献:

[1]张宇娇,吴刚梁,曾凡威.面向节能减排的通信基站通风冷却系统研究[J].环境工程,2015,33(6):139-143,152.

[2]牛琳,王显龙,李华山,等.济南某基站自然冷源降温系统实验研究[J].新能源进展,2017,5(6):484-488.