重力儀散熱裝置的熱仿真分析

第2卷第2期導航定位與授時(shí)VoL 2No. 22015年3月Navigation Positioning& TimingMarch 2015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)摘要:隨著(zhù)移動(dòng)平臺重力測量精度的不斷提高,對重力儀的溫度控制提出了更高的要求。為了實(shí)現在不同溫度環(huán)境下的高精度重力測量,本文設計了一種保溫散熱裝置,為重力儀提供第一級溫控。利用 Fluent軟件分別模擬了0℃,2℃和40℃環(huán)境溫度下此裝置內重力儀系統的溫度場(chǎng),并在此基礎上,利用高低溫箱完成該裝置的溫度性能實(shí)驗,驗證了此溫控方案的可行性。關(guān)鍵詞:重力儀;溫控; Fluent;強制對流中圖分類(lèi)號:U661文獻標志碼:A文章編號:2095-8110(2015)02-0063-04Thermal Simulation Analysis of the Radiator of GravimeterGUO Wei-chuan, MA Jie, CHU Xian, LI Dong-mingBeijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100039, China)Abstract: With continuous improvement of the movable platform gravimeter measurement accuracy, it becomes moreand 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. Tem-perature distributions of the gravimeter is simulated using ansys software and measured in the experiment. The resultsshow good adaptability and verify the feasibility of the deviceKey words: Gravimeter; Temperature control; Fluent; Forced convection0引言重力儀外殼的環(huán)境溫度保持在相對穩定的值。為產(chǎn)重力測量在作業(yè)實(shí)施時(shí),無(wú)論載體是飛機還品內部?jì)x表和器件的多級溫控提供了良好的溫度環(huán)是車(chē)輛,基本上都沒(méi)有溫度調節裝置。載體內部境,大大促進(jìn)了系統溫控精度和重力測量精度的提溫度受海拔高度、太陽(yáng)輻射的影響很大,特別是升。無(wú)人機環(huán)境中,尤為惡劣。重力儀系統所用的慣性器件都對溫度極其敏感,在惡劣環(huán)境下重力測1傳熱學(xué)概述量精度降低,甚至測試數據無(wú)效。由于重力測量傳熱分析遵循熱力學(xué)第一定律,即能量守恒定的特殊性,每次測量作業(yè)特別是航空測量的成本律。對于一個(gè)封閉的系統(無(wú)質(zhì)量流),即很高,所以研制能在寬溫度條件下高精度工作的Q-W=D+ DKE+Dpe(1)溫控系統迫在眉睫。式中Q為熱量,W為做功,D1為系統的內本文設計了一種保溫散熱裝置,為重力儀系能,Dx為系統的動(dòng)能,Dn為系統的勢能。對于統提供第一級環(huán)境溫控,通過(guò)有限元仿真分析了大多數工程傳熱問(wèn)題:D=Dn=0若不考慮做此裝置在0℃-40℃時(shí)的溫度場(chǎng)分布,并進(jìn)行了試功,即形0,則Q=D1;對于穩態(tài)熱分析:驗比對。此級溫控有效地實(shí)現了在0℃~40℃時(shí),O=D,=0中國煤化工收稿日期:2014-12-12;修訂日期:2014-01-04。CNMHG作者簡(jiǎn)介:郭緯川(1989-),男,碩士,主要從事重力儀方面的研究。E-mail:guoweichuan2013@126.com導航定位與授時(shí)2015年3月即流入系統的熱量等于流出的熱量。熱材料。產(chǎn)品與保溫罩之間為空氣。傳熱方式主要有三種:熱傳導、熱對流和熱網(wǎng)格模型采用六面體和四面體的實(shí)體混合模輻射。型,網(wǎng)格大小控制在5mm左右,網(wǎng)格劃分完成后節點(diǎn)數48811,單元數27859,如圖2所示。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)表1材料的熱力學(xué)參數行必要的保溫措施,降低系統的散熱才能夠達到Tab. 1 The physical parameters of materials穩定的溫度狀態(tài)。然而在高溫環(huán)境下,散熱速度密度/比熱容/導熱系數/粘度/又會(huì )太慢,從而引起系統溫度升高,影響測量的材料(kgm3)JkgK)w/ m. K) kg/(m精度甚至會(huì )引起元器件過(guò)熱。為了解決上述問(wèn)2024題,本文設計了一種保溫散熱裝置如圖1所示。鋁合金2770871隔熱材料700.02風(fēng)口1.7894e3產(chǎn)品空氣1006.430.0242保溫罩3模擬結果分析在產(chǎn)品上施加與實(shí)驗環(huán)境中相同功率的體熱圖1保溫散熱裝置源,設定空氣的入口處為速度入口,出口處為壓力Fig. 1 The scheme of radiator system出口,輻射散熱采用DO模型。計算采用分離隱式求解器,基于壓力-速度耦合的 SIMPLEC算法中間的部分為重力儀產(chǎn)品,為了保證產(chǎn)品能對模型質(zhì)量守恒方程,動(dòng)量守恒方程(采用Kep夠在低溫環(huán)境下正常工作,在其周?chē)稚狭艘粚?silon湍流模型)和能量守恒方程進(jìn)行迭代求解,解保溫材料,減少熱量的散失。同時(shí),為了保證產(chǎn)收斂的標準為各項殘差精度均小于103,殘差曲線(xiàn)品在高溫環(huán)境下不至于過(guò)熱,在保溫罩上開(kāi)有通趨于平直且產(chǎn)品空氣溫度趨于恒定為準。風(fēng)孔,通過(guò)加強空氣的對流來(lái)加快系統與外界的換熱3.119e+0023033c+0022.904c+002288le+0028I8e+002.775c+002圖2簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格劃分圖3環(huán)境溫度為0℃時(shí)的模型溫度分布Fig. 2 The scheme of mesh divisionFig 3 The temperature distribution as ambient temperature is中國煤化工利用ProE軟件建立了系統的三維簡(jiǎn)化模型CNMHG如圖2所示。產(chǎn)品的材料為鋁合金,保溫罩為隔第2期重力儀散熱裝置的熱仿真分析強制對流換熱環(huán)境下重力儀系統的溫度場(chǎng)。由圖中可知,隨著(zhù)環(huán)境溫度的升高,由于保溫罩的存在,系統的散熱變緩,需要加強空氣強制對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3.071e+0023.047e+002風(fēng)速,溫度會(huì )進(jìn)一步降低。99e+002在22℃~40℃環(huán)境溫度下,隨著(zhù)環(huán)境溫度的975e+0022951e+002升高,為了讓產(chǎn)品穩定溫度保持相對穩定,必須進(jìn)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的強制對流換熱環(huán)境下重力儀系統的溫度場(chǎng)。產(chǎn)品的溫度最終穩定在48℃左右,由于環(huán)境溫度很高,相同強度的強制對流散熱已經(jīng)不足以使產(chǎn)品的溫度維圖4環(huán)境溫度為22℃時(shí)的模型溫度分布持在相對低的溫度了,所以需要繼續提高風(fēng)速。Fig 4 The temperature distribution as ambient temperature is綜合多次不同環(huán)境條件下的仿真結果,我們可以得出如下的趨勢: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)增大強制對流,可大幅度提高散熱3.198c+002效率,維持產(chǎn)品溫度平衡。3.189c+0023.165e+0024溫度試驗3.156c+0023.148e+00利用高低溫箱對該裝置進(jìn)行溫度試驗,試驗條3.140e+0023.131e+002件分別為:1)0℃時(shí)自然對流;2)22℃時(shí)風(fēng)速1.56ms;3)40℃時(shí)風(fēng)速352ms。完成這3種條件下,加與不加保溫罩的溫度試驗。表2為仿真模擬結果與試驗結果的對比。0.500ml表2中的試驗結果數據為產(chǎn)品溫度的長(cháng)時(shí)間穩定后的平均值,由于產(chǎn)品外殼為最外層溫控,受外圖5環(huán)境溫度為40℃時(shí)的模型溫度分布界環(huán)境溫度變化的影響較大,同時(shí)受到溫箱提供環(huán)Fig. 5 The temperature distribution as ambient temperature is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)圖3為0℃環(huán)境溫度,空氣自然對流環(huán)境下重可以看出,不加保溫裝置時(shí),在20℃和40℃力儀系統的溫度場(chǎng)?？梢钥磳?雖然環(huán)境溫度較時(shí),產(chǎn)品能夠保持在相對穩定的溫度。但在0℃低,但是由于保溫罩的導熱系數很低,隔熱效果時(shí),由于散熱太快,產(chǎn)品的溫度下降了很多。采用很好,產(chǎn)品自身發(fā)熱仍然能夠穩定在43℃左右的本文中設計的保溫散熱裝置后,在0℃~40℃惡劣溫度。溫度環(huán)境下,重力儀的第一級溫控都能夠達到相對在℃~22℃環(huán)境溫度下,隨著(zhù)環(huán)境溫度的升穩定的溫度,仿真數據能夠與試驗數據很好的吻高,產(chǎn)品穩定溫度也不斷提升,并在10℃左右超合,表明仿真的邊界條件設置與實(shí)際相符,驗證了過(guò)了預設溫度,需要開(kāi)始利用風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行強制對此溫控裝置中國煤化工出上內部的多級流散熱。溫控就可以HCNMHG重力測量的精圖4為22℃環(huán)境溫度,風(fēng)扇風(fēng)速為15ms的度。導航定位與授時(shí)2015年3月風(fēng)口,保證了高溫環(huán)境下的溫度穩定。利用 Fluent表2仿真模擬結果與試驗結果的對比軟件,分別模擬了0℃、22℃和40℃C環(huán)境溫度Tab. 2 The comparison of simulation and test results下,此裝置內的溫度場(chǎng),仿真分析結果表明通過(guò)改22℃變強制對流換熱的強度,重力儀的工作環(huán)境能夠保環(huán)境條件保溫22℃保溫40℃保溫持在某一相對穩定的溫度上。在此基礎上,利用高散熱散熱低溫箱進(jìn)行了重力儀保溫散熱裝置的溫度性能實(shí)產(chǎn)品溫度仿真驗,試驗結果與仿真分析結果較為相符,驗證了此21.143.345.247.86448.4結果r℃C方案的可行性。產(chǎn)品溫度試驗22444.545.845445.748.7參考文獻結果/℃[]熊盛青,周錫華,郭志宏,周堅鑫.航空重力勘探理論方法及應用北京:地質(zhì)出版社,2010.12.5結論[2]李東明,郭剛,薛正兵,王文晶.激光捷聯(lián)慣導車(chē)載重力測量試驗叮]導航與控制,2013,12(4):75-78為了實(shí)現在不同溫度環(huán)境下高精度的重力測[3]姚仲鵬,王瑞君.傳熱學(xué)[M]北京:高等教育出版社量,本文設計了一種保溫散熱裝置,在重力儀周2006:8-12.圍增加了一層保溫罩,增強了低溫環(huán)境下的保溫「4孔祥謙.有限單元法在傳熱學(xué)中的應用(第三版)M效果,同時(shí)在保溫罩上設置了加強對流散熱的通科學(xué)出版社,1998中國煤化工CNMHG