原子慣性儀表加熱磁屏蔽系統(tǒng)的熱分析

郭 勇，董全林，王鵬飛，陳 瑤，全 偉，房建成

(1.微納測控與低維物理教育部重點實驗室,北京 100191；2.慣性技術(shù)國家重點實驗室，北京 100191；3.北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 100191)

?

原子慣性儀表加熱磁屏蔽系統(tǒng)的熱分析

郭 勇1,2,3，董全林1,2,3，王鵬飛1,2,3，陳 瑤2,3，全 偉2,3，房建成2,3

(1.微納測控與低維物理教育部重點實驗室,北京 100191；2.慣性技術(shù)國家重點實驗室，北京 100191；3.北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 100191)

重點分析了原子慣性儀表加熱磁屏蔽系統(tǒng)的傳熱過程，分別建立了加熱磁屏蔽系統(tǒng)初步設(shè)計的試驗和系統(tǒng)三維模型，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對其進行了穩(wěn)態(tài)的熱特性分析。結(jié)果表明試驗模型仿真結(jié)果與測試得到的結(jié)果相符合，驗證了熱仿真的可靠性。而系統(tǒng)模型仿真結(jié)果表明水冷表面溫度受水冷載體材料特性的影響較大，其關(guān)系曲線可為下一步水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料的選擇提供參考，并通過仿真得到了系統(tǒng)各層筒的導熱性能，為結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計提供了參考依據(jù)。

加熱系統(tǒng)；傳熱分析；熱仿真；ANSYS Workbench

0 引言

在設(shè)計此加熱磁屏蔽系統(tǒng)時，需要進行各種專項試驗，來驗證所設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等是否合理，也為下一步的設(shè)計如水冷提供依據(jù)。尤其是加熱實驗的設(shè)計，可觀察測量磁屏蔽系統(tǒng)中各結(jié)構(gòu)的溫度變化，但是實際試驗由于條件的限制，往往只能測量試件上幾個點的溫度值，而熱仿真軟件可以獲得整個系統(tǒng)的溫度場分布，且可通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析系統(tǒng)中各結(jié)構(gòu)的熱變形等。尤其是在一些試驗設(shè)備無法達到的極值試驗條件下或者試驗件數(shù)量少且價格極其昂貴的情況下，溫度試驗熱仿真將更能充分顯示出其獨特的優(yōu)勢[10]。

熱仿真是對器件在特定熱載荷作用下形成的溫度分布進行仿真分析。本文基于ANSYS Workbench的熱分析和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析功能，應用傳熱學知識[11]，對原子慣性儀表的加熱磁屏蔽系統(tǒng)進行了熱仿真分析。這對于全面分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理以及各結(jié)構(gòu)材料的選擇是否滿足要求提供指導作用且為下一步的水冷設(shè)計提供重要依據(jù)。

1 加熱磁屏蔽系統(tǒng)的組成

使用SolidWorks建模軟件完成加熱磁屏蔽系統(tǒng)初步設(shè)計模型如圖1所示，由內(nèi)而外，首先是原子泡，通過泡柄支撐管被固定于陶瓷爐中心，加熱片貼于陶瓷爐的6個外表面，對原子泡進行加熱。再往外分別是PEEK真空隔熱層，主動屏蔽線圈筒，鐵氧體以及水冷組件。最后外面還有4層薄的屏蔽筒。

圖1 加熱磁屏蔽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

2 加熱磁屏蔽系統(tǒng)傳熱過程分析

在加熱室外面雖然有隔熱筒隔熱，但仍有熱量從加熱片傳遞出來，分析整個磁屏蔽系統(tǒng)的溫度場分布就變得尤為重要，這涉及到水冷的設(shè)計和外層屏蔽線圈骨架等材料的選擇。

根據(jù)3種基本的傳熱方式，分析在水冷設(shè)計前，系統(tǒng)的傳熱過程如圖2所示。

圖2 加熱磁屏蔽系統(tǒng)傳熱過程示意圖

發(fā)熱源有2處，分別是粘于陶瓷爐表面的電阻絲加熱片和主動磁屏蔽線圈，但此線圈發(fā)熱功率極小，與加熱片加熱功率相比，可忽略不計。所以發(fā)熱源只考慮電阻絲加熱片。一方面加熱片通過導熱將熱量傳遞給陶瓷爐，陶瓷爐再通過輻射和導熱將熱量傳遞給原子泡。實現(xiàn)原子泡加熱的目的。另一方面，加熱片和陶瓷爐外表面對外都有熱輻射，也可將熱量通過輻射方式傳遞給真空隔熱層，再通過導熱將熱量依次傳遞給屏蔽線圈筒、鐵氧體和水冷組件等,直至最外面環(huán)境。

3 加熱磁屏蔽系統(tǒng)熱仿真分析

原子泡的工作溫度要求穩(wěn)定在200 ℃，其由溫控系統(tǒng)控制。本次試驗主要分析加熱片對外的傳熱，來分析各結(jié)構(gòu)材料的選擇是否滿足要求，且還為水冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供基礎(chǔ)。所以需要知道若不加水冷管，需水冷的材料表面可到達的最高溫度和此時水冷表面的熱負荷。并分析各層材料的導熱性能。

就以觀賞石的分類而論，古典觀賞石的分類因受制于科學技術(shù)和生產(chǎn)力條件的約束，就只有靈壁石、太湖石、昆石、英石四大類型為正宗，延續(xù)了上千年。

本次仿真從結(jié)構(gòu)相對簡單的實驗模型開始，并結(jié)合傳統(tǒng)的溫度試驗進行驗證，逐漸向復雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)仿真過渡，得到系統(tǒng)的溫度場分布。

3.1 試驗模型建立

在現(xiàn)有的加熱試驗中，加熱爐外只有隔熱筒。且放于環(huán)境中進行試驗，其實驗結(jié)果是隔熱筒外表面溫度為60～70℃。建立與試驗相對應的仿真模型，對模型進行簡化，略去螺釘、螺母、圓角、安裝孔等不影響熱路模型的局部細節(jié)和小插件。建立與實驗相對應的幾何模型如圖3所示。

圖3 試驗仿真模型

3.2 試驗模型仿真過程與結(jié)果分析

在ANSYS Workbench中，有2種熱分析方法，分別是穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析，穩(wěn)態(tài)熱分析用于分析穩(wěn)定的熱載荷對系統(tǒng)或部件的影響，對應的瞬態(tài)熱分析是用于分析計算一個系統(tǒng)隨時間變化的溫度場及其它熱參數(shù)，其載荷是隨時間變化的。在此次仿真中，只需仿真加熱達到穩(wěn)態(tài)(即原子泡工作溫度為200℃)以后，熱載荷恒定的溫度分布，故應用穩(wěn)態(tài)熱分析。

將簡化后的模型導入ANSYS Workbench平臺中，要設(shè)置的邊界條件如下：

(1)初始溫度設(shè)為25℃;

(2)設(shè)置加熱爐外表面與隔熱筒內(nèi)壁之間的輻射(加熱爐及加熱片表面輻射率為0.95，PEEK隔熱筒表面輻射率為0.7)；

(3)設(shè)置隔熱筒外表面對環(huán)境的輻射(環(huán)境溫度為25 ℃，輻射率為0.7)；

(4)設(shè)置隔熱筒與環(huán)境的對流換熱(取空氣對流換熱系數(shù)為5 W/(m2·℃))。

其熱載荷有兩種設(shè)置方式：一種是設(shè)定加熱片的熱流Heat Flow值(實際為加熱功率值)，使原子泡加熱到200 ℃；另一種是設(shè)定加熱片的溫度為200 ℃直接進行仿真(即假定加熱片的溫度與原子泡的溫差太小而可忽略不計)。

熱載荷兩種設(shè)置方式的仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 熱流熱載荷的仿真結(jié)果

圖5 溫度熱載荷的仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，當給加熱片施加24 W的穩(wěn)態(tài)加熱功率(即每個加熱片加熱功率為4 W)時，其原子泡的溫度為200 ℃，且可以看到其加熱片的溫度與原子泡溫度相差甚小。從圖4和圖5可以得到，兩種熱載荷設(shè)置方式的仿真結(jié)果基本一致，說明熱分析邊界條件的設(shè)定是合理的。其隔熱筒外表面最高溫度都大致為70℃，基本與實驗結(jié)果相符，驗證了此次仿真結(jié)果的可靠性。為下一步作水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計打下基礎(chǔ)。在仿真過程中，材料參數(shù)的誤差、仿真過程中熱輻射率的設(shè)定以及將對流作為簡單邊界條件施加是仿真與試驗結(jié)果產(chǎn)生誤差的主要原因。

3.3 系統(tǒng)模型仿真過程與結(jié)果分析

為確定水冷，需要知道若不加水冷設(shè)備，水冷表面可達到的最高溫度，所以只需仿真到水冷結(jié)構(gòu)就可，再將有些對散熱影響小的螺釘?shù)刃×慵∠瑢⒏鲗油步Y(jié)構(gòu)簡化，得仿真模型如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)仿真模型

此次仿真的目的是確定水冷表面最高溫度，所以假定在熱量往外傳遞過程中，效率最大。故在幾何模型中，各層筒之間是無間隙接觸，在仿真過程中，自動生成的接觸域會激活各部件間的熱傳導，不考慮接觸熱阻對傳熱的影響。由試驗模型仿真結(jié)果可知，加熱片和原子泡溫度相差甚小。故可直接設(shè)置加熱片溫度為200℃進行仿真，其它邊界條件設(shè)置如下：(1) 初始溫度設(shè)為25℃;(2) 設(shè)置加熱爐外表面與隔 熱筒內(nèi)壁之間的輻射(加熱爐及加熱片表面輻射率為0.95，PEEK隔熱筒表面輻射率為0.7)；(3)最后，設(shè)置外部邊界條件，如果沒有水冷結(jié)構(gòu)，水冷組件外面是空氣。且由于此系統(tǒng)要抽真空，空氣對流小，只需考慮水冷組件對外的輻射(輻射率依材料而定)。

在水冷組件設(shè)計時，水冷結(jié)構(gòu)材料初步選定為紫銅，但不同表面的紫銅金屬材料其輻射率是不同的，高度磨光表面的輻射率很小，而粗糙表面和受氧化作用后的表面的輻射率常常為磨光表面的數(shù)倍。本文將不同材料的輻射率代入分析，得到水冷表面的最高溫度隨輻射率的變化曲線如圖7所示。

圖7 水冷表面的最高溫度隨輻射率的變化曲線

由以上結(jié)果可觀察到，水冷表面的溫度隨材料輻射率的變化較大，在做水冷設(shè)計時，在滿足設(shè)計要求下，一方面應選用輻射率較大的紫銅表面，使熱量通過輻射散熱傳播出去，避免溫度過高，對磁屏蔽系統(tǒng)的各層材料性能造成影響。另一方面此結(jié)果對于水冷方式的選擇也有很大參考價值，根據(jù)此結(jié)果可設(shè)計水冷和選擇水冷設(shè)備。如極值情況下，若水冷結(jié)構(gòu)材料的輻射率特別小，其熱量只通過水冷傳遞出去，那么要水冷的表面溫度可設(shè)置為130℃進行仿真分析。

3.4 加熱磁屏蔽系統(tǒng)各層筒的導熱性能分析

取3.3的結(jié)果進行分析，設(shè)水冷表面的輻射率為0.4。得到的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 水冷表面輻射率為0.4的系統(tǒng)仿真結(jié)果

從上圖可知，加熱磁屏蔽系統(tǒng)中，隔熱筒的隔熱性能良好，其它各層筒的隔熱效果較差。從圖中也可以得到加熱系統(tǒng)對各層筒的溫度影響，這為后續(xù)結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

利用ANSYS Workbench 穩(wěn)態(tài)熱分析方法和試驗輔助，比較試驗模型仿真結(jié)果與測試結(jié)果，驗證了此次仿真的可靠性，并以此為基礎(chǔ)，對設(shè)計的加熱磁屏蔽系統(tǒng)進行熱仿真，通過分析不同水冷組件材料的輻射率大小對系統(tǒng)溫度場尤其是水冷表面溫度的影響，為下一步水冷材料的選擇提供理論依據(jù)，得到在滿足設(shè)計的要求下，應選用輻射率大的材料，使熱量通過輻射散熱傳播出去，避免溫度過高，對磁屏蔽系統(tǒng)的各層材料性能造成影響。并模擬了加熱系統(tǒng)在原子泡的加熱過程中對系統(tǒng)各層材料的溫度影響，為后續(xù)結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計提供參考依據(jù)。

[1] 劉麗君，席在榮.原子核自旋陀螺儀的基本原理.系統(tǒng)科學與數(shù)學，2012，32(10):1308-1317.

[2] 陸璇輝，王將峰.基于原子干涉的量子陀螺儀.紅外與激光工程，2007，36(3):293-295.

[3] FANG J C,QIN J,WAN S A,et al.Atomic spin gyroscope based on 129Xe-Cs comagnetometer.Chinese Science Bulletin,2013,58(13):1512-1515.

[4] FANG J C,QIN J.Advances in atomic gyroscopes:a view from inertial navigation applications.Sensors,2012,12(5):6331-6346.

[5] 楚中毅，孫曉光，萬雙愛，等.原子自旋陀螺儀核自旋磁場自補償系統(tǒng).儀器儀表學報，2013，34(11):2579-2584.

[6] ALLRED J C，LYMAN R N，KORNACK T W，et al.High-sensitivity atomic magnetometer unaffected by spin-exchange relaxation.Physical review letters,2002,89(13):130801.

[7] LEDBETTER M P，SAVUKOV I M，ACOSTA V M，et al.Spin-exchange-relaxation-free magnetometry with Cs vapor.Physical Review A,2008,77(3):033408.

[8] 楚中毅，孫曉光，萬雙愛，等.無自旋交換弛豫原子磁強計的主動磁補償.光學精密工程，2014，22(7):1808-1813.

[9] BROWN J M.A New Limit on Lorentz-and CPT -Violating Neutron Spin Interactions Using a K-3He comagnetometer.Princeton:Princeton University，2011.

[10] 劉兆洪.航天產(chǎn)品溫度試驗熱仿真技術(shù)探討.裝備環(huán)境工程，2005，2(3):30-35.

[11] 楊世銘，陶文銓.傳熱學.北京：高等教育出版社，2006.

[12] 樊越，梁偉，馬文禮.航空相機光學系統(tǒng)熱控設(shè)計.光電工程，2013(1):51-59.

[13] 朱旭平，余桂英，丁紓姝，等.功率型LED瞬態(tài)溫度場及熱應力分布的研究.光電工程，2011，38(2):132-137.

Thermal Analysis for Atomic Inertial InstrumentHeating Magnetic Shielding System

GUO Yong1,2,3,DONG Quan-lin1,2,3,WANG Peng-fei1,2,3,CHEN Yao2,3,QUAN Wei2,3,FANG Jian-cheng2,3

(1.Key Laboratory of Micro-nano Measurement-Manipulation and Physics，Beijing 100191，China;2.Science and Technology on Inertial Laboratory，Beijing 100191，China;3.School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

Focused on the analysis of the atomic inertial instrument heating magnetic shielding system’s heat transfer process,the test and the system’s 3D model based on the preliminary designed were established,and the steady-state thermal property of system by taking the advantage of Finite Element Method (FEM) software ANSYS Workbench was analyzed.Compared with the experiment data,the simulation results show its high consistency,verifying the reliability of the thermal simulation.Finally,based on the preliminary designed system’s thermal simulation analysis,the thermal conductivity property of each cylinder in system was obtained,and it discussed how temperature distribution of the entire system varied with water-cooled carrier material emissivity.The conclusion provides the basis for structure improvement.

heating system;heat transfer analysis;thermal simulation;ANSYS Workbench

國家科技支撐計劃(2006BAK03A24)；國家自然基金委重大科研儀器設(shè)備研制專項(61227902)

2015-03-08 收修改稿日期：2015-09-01

TP391.9;TP241.62

A

1002-1841(2015)12-0022-04

郭勇(1991—)，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為原子慣性儀表的熱分析、海洋傳感器研究。E-mail:guoyongsydx@163.com 董全林(1964—)，教授，博士，主要研究領(lǐng)域為慣性導航系統(tǒng)、精密儀器與機械。E-mail:dongquanlin@buaa.edu.cn