電子方艙熱仿真的等效模型與參數(shù)優(yōu)化

袁偉琪，葉 銳

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

作為戰(zhàn)場上重要的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)，電子方艙經(jīng)常暴露于嚴(yán)苛的環(huán)境之下，方艙需要耐受夏季55℃的高溫和太陽輻照；冬季里-40℃的低溫，這些環(huán)境因素使得方艙的保溫性能要求很高，電子方艙的熱性能設(shè)計(jì)對(duì)其正常工作至關(guān)重要。

方艙設(shè)計(jì)過程中需要同時(shí)考慮傳熱系數(shù)、電磁兼容性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等多種性能，其設(shè)計(jì)工作復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，熱仿真技術(shù)在電子方艙的環(huán)控設(shè)計(jì)中扮演了越來越重要的作用：黃健借助CFD軟件模擬了車載醫(yī)療方艙風(fēng)道，驗(yàn)證了數(shù)值方法的可靠性[1]；張夢(mèng)龍等運(yùn)用FLUENT軟件分析空調(diào)不同送風(fēng)參數(shù)對(duì)于方艙降溫效果的影響，并提出了制冷系統(tǒng)冷氣通路的改進(jìn)措施[2]；陳文博等利用有限元輔助設(shè)計(jì)方法提升方艙升溫過程設(shè)計(jì)的效率和精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明仿真計(jì)算結(jié)果誤差在6%~22%，處于工程仿真誤差范圍之內(nèi)[3]。

前人工作表明仿真分析方法輔助方艙設(shè)計(jì)的可行性和高效性。但方艙仿真中存在尺寸跨度大的問題，這會(huì)加大方艙的網(wǎng)格量，在穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)尚可接受，一旦需要對(duì)方艙進(jìn)行瞬時(shí)計(jì)算，模擬升降溫過程，計(jì)算量將會(huì)非常大，耗時(shí)長，降低設(shè)計(jì)效率。針對(duì)方艙熱仿真特點(diǎn)，使用了分步計(jì)算的方法對(duì)方艙進(jìn)行模擬：先通過詳細(xì)建模計(jì)算出方艙艙壁的等效導(dǎo)熱率，再將方艙整體建模，利用前述等效參數(shù)減少整體仿真的計(jì)算量，達(dá)到提升計(jì)算效率的目的。同時(shí)針對(duì)方艙進(jìn)行詳細(xì)建模，對(duì)比了不同尺度下兩種計(jì)算方式的計(jì)算量及仿真結(jié)果。

1 模型介紹

1.1 方艙模型

軍用方艙是目前電子通信系統(tǒng)的主要載體之一，一般運(yùn)用保溫艙壁、空調(diào)及加熱器等措施控制艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)。其中，方艙艙壁的保溫性能決定了艙體的冷熱負(fù)荷，對(duì)方艙環(huán)境參數(shù)和耗電量有顯著影響。方艙傳熱系數(shù)是衡量艙壁保溫性能的重要指標(biāo)，針對(duì)方艙傳熱系數(shù)開展了一系列仿真工作，典型的方艙艙壁采用聚氨酯發(fā)泡中間加金屬骨架的大板式形式，如圖1所示，由隔熱層、方艙骨架、內(nèi)外蒙皮以及斷熱橋組成。

1.2 仿真模型

1.2.1 一般模型

一般熱仿真中針對(duì)整個(gè)方艙（去除不影響傳熱的特征）進(jìn)行建模，將所有特征一一建立模型并賦值，如圖2所示。

圖1 方艙艙壁模型

圖2 電子方艙一般模型

根據(jù)國標(biāo)要求，仿真計(jì)算時(shí)在方艙內(nèi)部放置熱源，通過調(diào)整熱源散熱量使內(nèi)部空氣溫度穩(wěn)定為20℃，外部氣流速度不大于2 m/s，環(huán)境溫度-35℃[5]，通過式（1）計(jì)算方艙傳熱系數(shù)。

式中，h為方艙傳熱系數(shù)，單位W/（m2K）；△T為艙內(nèi)外溫差，℃；A為方艙表面積，m2。

艙壁上特征較多，小尺寸的特征如骨架、蒙皮等長寬尺寸較大，而厚度小，且放置方向不同，仿真軟件劃分網(wǎng)格時(shí)會(huì)以薄壁厚度為最小尺度為基準(zhǔn)，這會(huì)帶來大量非必要的網(wǎng)格，使得模型網(wǎng)格量大幅度增加，提高計(jì)算量。

1.2.2 等效模型

為了減少仿真計(jì)算量，根據(jù)幾何模型簡化原則，在方艙仿真時(shí)分成兩步進(jìn)行：將艙壁作為一個(gè)整體看待，先計(jì)算出單位長度的模塊艙壁的熱物性；建立簡化方艙模型，利用上一步求得的熱物性為艙體賦值，從而減少計(jì)算量。詳細(xì)過程如下：

第一步，艙體熱物性計(jì)算：與一般模型類似，針對(duì)單位長度（主要取決于骨架間距）的艙體詳細(xì)建模，利用仿真軟件計(jì)算不同方向傳熱系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出各個(gè)方向的熱導(dǎo)率（式2），模型如圖3所示。

圖3 等效模型步驟1示意圖

式中Q為通過艙壁的總熱量，W；d為艙壁厚度，m；A為艙壁面積，m2。

第二步，建立方艙模型，其中艙壁為實(shí)心塊狀模型，如圖4所示，并將等效參數(shù)賦值給艙壁。

圖4 等效模型步驟2示意圖

相比于一般模型，等效模型只有在第一步中針對(duì)單位長度的艙壁完整結(jié)構(gòu)建立模型，減少了建模工作量同時(shí)可以大幅度較少仿真網(wǎng)格量，又不影響仿真準(zhǔn)確度。

2 仿真結(jié)果

本節(jié)中利用第二節(jié)的方艙模型，利用軟件分別進(jìn)行仿真。

2.1 驗(yàn)證等效模型準(zhǔn)確性

參考真實(shí)的方艙結(jié)構(gòu)建立模型，驗(yàn)證等效模型的準(zhǔn)確性。常見方艙的傳熱系數(shù)約為1.5 W/m2·K，典型艙壁材料見表1。

表1 方艙材料參數(shù)

參照GJB 2093A-2012 7.6節(jié)保溫性試驗(yàn)方法，仿真分析時(shí)將外蒙皮壁面溫度設(shè)置為-35℃，內(nèi)蒙皮壁面溫度設(shè)置為20℃，通過計(jì)算漏熱量，評(píng)估其散熱性能。結(jié)果見表2、圖5。

表2 等效模型第一步結(jié)果

圖5 縱切面溫度分布圖

針對(duì)方艙及內(nèi)部熱源建模，多次迭代使內(nèi)部溫度為20℃（環(huán)境-35℃，風(fēng)速最大約1.6 m/s），此時(shí)熱源制冷量約為5000 W，利用公式（1）計(jì)算得方艙傳熱系數(shù)為1.46 W/（m2·K），結(jié)果見表3、圖6。

表3 等效模型第二步結(jié)果

圖6 橫切面溫度云圖

結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果差距不超過3%，仿真結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2.2 不同模型仿真結(jié)果對(duì)比

以壁厚150 mm，骨架50 mm*50 mm，骨架間距600 mm的方艙為例，對(duì)比兩種仿真模型的結(jié)果，如下所示：

（1）等效模型

第一步：計(jì)算艙體導(dǎo)熱率，結(jié)果見表4和圖7。

表4 等效模型第一步結(jié)果

圖7 縱切面溫度云圖

第二步，計(jì)算方艙傳熱系數(shù)，結(jié)果見表5和圖8。

表5 等效模型第二步結(jié)果

圖8 橫切面溫度云圖

（2）一般模型

針對(duì)方艙整體建模，為了兼顧仿真精確度及效率，設(shè)置每個(gè)邊上有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型仿真，結(jié)果見表6和圖9。

表6 一般模型結(jié)果

對(duì)比2種模型結(jié)果可其傳熱系數(shù)相差約6%，仿真結(jié)果較為接近；一般模型的網(wǎng)格數(shù)比等效模型高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，等效模型可以有效減小仿真計(jì)算量，加快仿真速度和設(shè)計(jì)過程。

在仿真中發(fā)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整時(shí)不需要對(duì)第二步中的整體模型做過多修改。特別是調(diào)整骨架間距，在一般模型中需要改變每根骨架，而等效模型只需要調(diào)整模型第一步中的保溫層長度，工作量精簡許多。

圖9 橫切面溫度云圖

2.3 模型應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用等效模型進(jìn)行仿真，結(jié)合工程需要，方艙設(shè)計(jì)參數(shù)見表7。

表7 方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)等效模型計(jì)算，方艙傳熱系數(shù)仿真約為0.41 W/（m2·K）。以該參數(shù)設(shè)計(jì)某冷藏方艙，通過實(shí)驗(yàn)測得方艙傳熱系數(shù)約為0.38 W/（m2·K），等效模型仿真結(jié)果偏離約8%。

3 結(jié)語

軍用電子方艙由于其提供良好的電子器件及人員工作環(huán)境而廣被使用，在其設(shè)計(jì)過程中，熱仿真是保證性能的重要環(huán)節(jié)。在保證仿真精度的前提下，提出了一種網(wǎng)格和計(jì)算量更小的模型，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明該模型有著較高的準(zhǔn)確性，且相比于完整建模的一般模型，網(wǎng)格數(shù)大大減少，且在參數(shù)修改時(shí)更加方便，可以極大提高設(shè)計(jì)效率。