重力儀散熱裝置的熱仿真分析

郭緯川，馬 杰，楚 賢，李東明

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

重力儀散熱裝置的熱仿真分析

郭緯川，馬 杰，楚 賢，李東明

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

隨著移動(dòng)平臺(tái)重力測(cè)量精度的不斷提高，對(duì)重力儀的溫度控制提出了更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)在不同溫度環(huán)境下的高精度重力測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了一種保溫散熱裝置，為重力儀提供第一級(jí)溫控。利用Fluent軟件分別模擬了0℃，22℃和40℃環(huán)境溫度下此裝置內(nèi)重力儀系統(tǒng)的溫度場(chǎng)，并在此基礎(chǔ)上，利用高低溫箱完成該裝置的溫度性能實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了此溫控方案的可行性。

重力儀；溫控；Fluent；強(qiáng)制對(duì)流

0 引言

重力測(cè)量在作業(yè)實(shí)施時(shí)，無(wú)論載體是飛機(jī)還是車(chē)輛，基本上都沒(méi)有溫度調(diào)節(jié)裝置。載體內(nèi)部溫度受海拔高度、太陽(yáng)輻射的影響很大，特別是無(wú)人機(jī)環(huán)境中，尤為惡劣。重力儀系統(tǒng)所用的慣性器件都對(duì)溫度極其敏感，在惡劣環(huán)境下重力測(cè)量精度降低，甚至測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)效[1]。由于重力測(cè)量的特殊性，每次測(cè)量作業(yè)特別是航空測(cè)量的成本很高，所以研制能在寬溫度條件下高精度工作的溫控系統(tǒng)迫在眉睫。

本文設(shè)計(jì)了一種保溫散熱裝置，為重力儀系統(tǒng)提供第一級(jí)環(huán)境溫控，通過(guò)有限元仿真分析了此裝置在0℃～40℃時(shí)的溫度場(chǎng)分布，并進(jìn)行了試驗(yàn)比對(duì)。此級(jí)溫控有效地實(shí)現(xiàn)了在0℃～40℃時(shí)，重力儀外殼的環(huán)境溫度保持在相對(duì)穩(wěn)定的值。為產(chǎn)品內(nèi)部?jī)x表和器件的多級(jí)溫控提供了良好的溫度環(huán)境，大大促進(jìn)了系統(tǒng)溫控精度和重力測(cè)量精度的提升[2]。

1 傳熱學(xué)概述

傳熱分析遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律[3]。對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（無(wú)質(zhì)量流），即：

式中Q為熱量，W為做功，DU為系統(tǒng)的內(nèi)能，DKE為系統(tǒng)的動(dòng)能，DPE為系統(tǒng)的勢(shì)能。對(duì)于大多數(shù)工程傳熱問(wèn)題：DKE=DPE=0若不考慮做功，即W=0，則Q=DU；對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析：

即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量。

傳熱方式主要有三種：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。

2 保溫散熱裝置有限元分析

重力儀在低溫環(huán)境下散熱速度太快，需要進(jìn)行必要的保溫措施，降低系統(tǒng)的散熱才能夠達(dá)到穩(wěn)定的溫度狀態(tài)。然而在高溫環(huán)境下，散熱速度又會(huì)太慢，從而引起系統(tǒng)溫度升高，影響測(cè)量的精度甚至?xí)鹪骷^(guò)熱。為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種保溫散熱裝置如圖1所示。

圖1 保溫散熱裝置Fig.1 The scheme of radiator system

中間的部分為重力儀產(chǎn)品，為了保證產(chǎn)品能夠在低溫環(huán)境下正常工作，在其周?chē)稚狭艘粚颖夭牧?，減少熱量的散失。同時(shí)，為了保證產(chǎn)品在高溫環(huán)境下不至于過(guò)熱，在保溫罩上開(kāi)有通風(fēng)孔，通過(guò)加強(qiáng)空氣的對(duì)流來(lái)加快系統(tǒng)與外界的換熱。

圖2 簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格劃分Fig.2 The scheme of mesh division

利用Pro/E軟件建立了系統(tǒng)的三維簡(jiǎn)化模型，如圖2所示。產(chǎn)品的材料為鋁合金，保溫罩為隔熱材料。產(chǎn)品與保溫罩之間為空氣。

網(wǎng)格模型采用六面體和四面體的實(shí)體混合模型，網(wǎng)格大小控制在5mm左右，網(wǎng)格劃分完成后節(jié)點(diǎn)數(shù)48811，單元數(shù)27859，如圖2所示[4]。

表1 材料的熱力學(xué)參數(shù)Tab.1 The physical parameters of materials

3 模擬結(jié)果分析

在產(chǎn)品上施加與實(shí)驗(yàn)環(huán)境中相同功率的體熱源，設(shè)定空氣的入口處為速度入口，出口處為壓力出口，輻射散熱采用DO模型。計(jì)算采用分離隱式求解器，基于壓力-速度耦合的SIMPLEC算法，對(duì)模型質(zhì)量守恒方程，動(dòng)量守恒方程（采用K-epsilon湍流模型）和能量守恒方程進(jìn)行迭代求解，解收斂的標(biāo)準(zhǔn)為各項(xiàng)殘差精度均小于10-5，殘差曲線趨于平直且產(chǎn)品空氣溫度趨于恒定為準(zhǔn)。

圖3 環(huán)境溫度為0℃時(shí)的模型溫度分布Fig.3 The temperature distribution as ambient temperature is 0℃

圖4 環(huán)境溫度為22℃時(shí)的模型溫度分布Fig.4 The temperature distribution as ambient temperature is 22℃

圖5 環(huán)境溫度為40℃時(shí)的模型溫度分布Fig.5 The temperature distribution as ambient temperature is 40℃

圖3為0℃環(huán)境溫度，空氣自然對(duì)流環(huán)境下重力儀系統(tǒng)的溫度場(chǎng)?？梢钥闯?，雖然環(huán)境溫度較低，但是由于保溫罩的導(dǎo)熱系數(shù)很低，隔熱效果很好，產(chǎn)品自身發(fā)熱仍然能夠穩(wěn)定在43℃左右的溫度。

在0℃～22℃環(huán)境溫度下，隨著環(huán)境溫度的升高，產(chǎn)品穩(wěn)定溫度也不斷提升，并在10℃左右超過(guò)了預(yù)設(shè)溫度，需要開(kāi)始利用風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱。

圖4為22℃環(huán)境溫度，風(fēng)扇風(fēng)速為1.5m/s的強(qiáng)制對(duì)流換熱環(huán)境下重力儀系統(tǒng)的溫度場(chǎng)。由圖中可知，隨著環(huán)境溫度的升高，由于保溫罩的存在，系統(tǒng)的散熱變緩，需要加強(qiáng)空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱才能夠維持在47℃左右。此時(shí)的風(fēng)速還是很低，加大風(fēng)速，溫度會(huì)進(jìn)一步降低。

在22℃～40℃環(huán)境溫度下，隨著環(huán)境溫度的升高，為了讓產(chǎn)品穩(wěn)定溫度保持相對(duì)穩(wěn)定，必須進(jìn)一步增大風(fēng)扇風(fēng)速，加快散熱。

圖5為40℃環(huán)境溫度，風(fēng)扇風(fēng)速為3m/s的強(qiáng)制對(duì)流換熱環(huán)境下重力儀系統(tǒng)的溫度場(chǎng)。產(chǎn)品的溫度最終穩(wěn)定在48℃左右，由于環(huán)境溫度很高，相同強(qiáng)度的強(qiáng)制對(duì)流散熱已經(jīng)不足以使產(chǎn)品的溫度維持在相對(duì)低的溫度了，所以需要繼續(xù)提高風(fēng)速。

綜合多次不同環(huán)境條件下的仿真結(jié)果，我們可以得出如下的趨勢(shì)：保溫罩可以有效的隔斷熱量的散失，在低溫條件下能夠起到很好的保溫作用；在高溫條件下通過(guò)增大強(qiáng)制對(duì)流，可大幅度提高散熱效率，維持產(chǎn)品溫度平衡。

4 溫度試驗(yàn)

利用高低溫箱對(duì)該裝置進(jìn)行溫度試驗(yàn)，試驗(yàn)條件分別為：1） 0℃時(shí)自然對(duì)流；2） 22℃時(shí)風(fēng)速1.56m/s；3） 40℃時(shí)風(fēng)速3.52m/s。完成這3種條件下，加與不加保溫罩的溫度試驗(yàn)。表2為仿真模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

表2中的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)為產(chǎn)品溫度的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定后的平均值，由于產(chǎn)品外殼為最外層溫控，受外界環(huán)境溫度變化的影響較大，同時(shí)受到溫箱提供環(huán)境的溫度精度影響，產(chǎn)品外殼溫度會(huì)存在微小的波動(dòng)。

可以看出，不加保溫裝置時(shí)，在20℃和40℃時(shí)，產(chǎn)品能夠保持在相對(duì)穩(wěn)定的溫度。但在0℃時(shí)，由于散熱太快，產(chǎn)品的溫度下降了很多。采用本文中設(shè)計(jì)的保溫散熱裝置后，在0℃～40℃惡劣溫度環(huán)境下，重力儀的第一級(jí)溫控都能夠達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的溫度，仿真數(shù)據(jù)能夠與試驗(yàn)數(shù)據(jù)很好的吻合，表明仿真的邊界條件設(shè)置與實(shí)際相符，驗(yàn)證了此溫控裝置方案的可行性。在此基礎(chǔ)上內(nèi)部的多級(jí)溫控就可以更加穩(wěn)定，有效的保證了重力測(cè)量的精度。

表2 仿真模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Tab.2 The comparison of simulation and test results

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)在不同溫度環(huán)境下高精度的重力測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了一種保溫散熱裝置，在重力儀周?chē)黾恿艘粚颖卣?，增?qiáng)了低溫環(huán)境下的保溫效果，同時(shí)在保溫罩上設(shè)置了加強(qiáng)對(duì)流散熱的通風(fēng)口，保證了高溫環(huán)境下的溫度穩(wěn)定。利用Fluent軟件，分別模擬了0℃、22℃和40℃環(huán)境溫度下，此裝置內(nèi)的溫度場(chǎng)，仿真分析結(jié)果表明通過(guò)改變強(qiáng)制對(duì)流換熱的強(qiáng)度，重力儀的工作環(huán)境能夠保持在某一相對(duì)穩(wěn)定的溫度上。在此基礎(chǔ)上，利用高低溫箱進(jìn)行了重力儀保溫散熱裝置的溫度性能實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果較為相符，驗(yàn)證了此方案的可行性。

[1]熊盛青，周錫華，郭志宏，周堅(jiān)鑫.航空重力勘探理論方法及應(yīng)用[J].北京：地質(zhì)出版社，2010.12.

[2]李東明，郭剛，薛正兵，王文晶.激光捷聯(lián)慣導(dǎo)車(chē)載重力測(cè)量試驗(yàn)[J].導(dǎo)航與控制，2013，12(4):75-78.

[3]姚仲鵬，王瑞君.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006:8-12.

[4]孔祥謙.有限單元法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用(第三版)[M].科學(xué)出版社,1998.

Thermal SimulationAnalysis of the Radiator of Gravimeter

GUO Wei-chuan,MAJie,CHU Xian,LI Dong-ming
(Beijing Institute ofAerospace Control Devices,Beijing 100039,China)

With continuous improvement of the movable platform gravimeter measurement accuracy,it becomes more and more important to control the temperature of the gravimeter.In order to realize the high gravity measurement precision in different ambient temperatures,a new thermal insulation and heat radiating device is described in this paper.Temperature distributions of the gravimeter is simulated using ansys software and measured in the experiment.The results show good adaptability and verify the feasibility of the device.

Gravimeter;Temperature control;Fluent;Forced convection

U666.1

A

2095-8110（2015）02-0063-04

2014-12-12；

2014-01-04。

郭緯川（1989-），男，碩士，主要從事重力儀方面的研究。E-mail:guoweichuan2013@126.com