電子設備環境艙的溫度場仿真計算方法

于廣鋒

中航工程集成設備有限公司

0 引言

探空火箭、航空發動機等航空航天設備的電子元器件具有環境適應性要求，為保證設備在倉儲環境靜止狀態或者在露天環境運輸狀態的極高溫和極低溫環境下能夠正常工作，需要使用環境艙進行溫度控制。如圖1 所示。

圖1 電子設備及移動式環境艙示意圖

溫度場仿真計算的研究目的是進行電子設備環境艙的溫度控制系統環境適應性仿真，評估電子設備及環境艙的環境適應性。環境試驗包括以下幾方面：高溫（日照），低溫，地面風速，海拔高度等。評價環境艙的溫度控制性能包括控制時間、電子設備平衡溫度等。

本文采用溫度場仿真計算方法自主開發軟件，應用簡化的物理模型，可以快速計算得出計算參數，包括電子設備溫度變化、不同環境下所需要的調溫設備功率等。

軟件驗證方法可采用CFD （Computed Fluid Dynamics，計算流體力學）軟件數值模擬或試驗方法。軟件的驗證數據來源包括實驗室環境試驗和自然環境試驗。

本文主要介紹溫度場仿真軟件的功能，設計思路，數學物理模型和計算結果。

1 軟件功能

溫度場仿真軟件包括兩個模塊：靜止狀態模塊和運輸狀態模塊，如圖2 所示。其中靜止模塊用于環境艙靜止（儲存環境）工況溫度場仿真。運輸狀態模塊用于環境艙運輸（露天環境）狀態溫度場仿真。

圖2 軟件模塊

軟件的兩個功能模塊相互獨立，分別對應不同的子程序。兩者采用不同的計算模塊。避免使用公用的計算模塊，可以防止不同發射狀態之間的計算變量參數的相互干擾，減少程序結構和代碼的錯誤率。

溫度場仿真軟件建立了可擴充的熱物理性質材料庫。材料庫集成了電子設備設計的70 余種常用材料的物性參數，包括密度、比熱容、導熱系數和表面輻射特性（吸收率和發射率）等，包括單一材料熱物理性質和復合材料熱物理性質。其中復合材料結構包括一般結構、平板和圓筒壁等。

2 軟件設計

溫度場仿真計算軟件采用“分塊設計，使用數據文件連接”的模塊化的軟件設計模式，如圖3 所示，軟件參數輸入界面、軟件計算主程序與軟件后處理程序相互獨立的模塊，各個模塊之間采用數據文件作為模塊接口，軟件開發小組之間只需協調數據文件的內容和格式。這種軟件開發模式的好處是方便了軟件開發人員的協作，減少了軟件開發的風險，便于軟件維護。

圖3 軟件設計模式

3 軟件理論

本軟件計算方法綜合了集總參數法與CFD 數值模擬的優點，計算準確性優于集總參數法，計算速度優于CFD 數值模擬。

軟件理論模型的簡化與假設如下：不考慮環境艙內表面與設備之間的輻射換熱。不考慮接觸熱阻。流體流動性質不隨時間變化。除空調流體物性是溫度的函數外，其余為常物性。

數學模型包括流體控制體和設備控制體熱平衡方程。

1）流體控制體穩態換熱平衡方程[1-2]

流體控制體換熱量Φf等于設備換熱量Φe、流體與外環境換熱量Φa、支撐換熱量Φh、半導體加熱量Φsemi之和，如式（1）：

取流體控制體平均溫度tf,k等于控制體入口溫度tfi,k與出口溫度tfo,k的算術平均值，得

其中，流體入口溫度tfi,k可由前一步的迭代求出，且有tfo,k=tfi,k+1。

式（1）中流體與外環境換熱量通過環境艙外壁溫度tw計算，需要先求解出環境艙外壁溫度tw。由于環境艙壁質量和比熱容較小，初次近似不計其溫度隨時間變化。環境艙壁熱平衡方程為：

2）設備控制體換熱平衡方程[2]

設備控制體換熱量為周圍6 個控制體的換熱量之和，即：

設備控制體采用了隱式格式離散。隱式格式的好處是具有絕對穩定性，計算結果不受時間步長大小的影響。

初始條件包括設備的初始溫度，計算初始日期和時間等。邊界條件包括外環境風速，溫度，設備所處經緯度、海拔高度，空調系統參數等。

計算網格如圖4 所示，由于支撐內部流道尺寸比設備尺寸小得多，取流體徑向網格大小等于流道尺寸。

方程求解過程為瞬態過程，如圖5 所示，每個時間步內，先假設設備溫度為已知，求解流體換熱方程，計算流體溫度，再將流體溫度代入到設備控制方程，求解設備溫度，反復進行迭代，求解非穩態熱平衡方程組。求解差分方程應用高斯-塞德爾（Gauss-Seidel）迭代法求解?？捎擅總€橫截面內的設備控制體溫度與相鄰流體(或支撐)控制體溫度插值得到設備表面溫度，然后對設備表面溫度進行后處理畫出溫度云圖。

圖4 軟件網格示意圖

圖5 軟件計算流程圖

太陽輻射的影響因素包括地球公轉和自轉（日期和時間），地理位置（經緯度），大氣衰減（海拔高度），被輻射面位置（方位角）等。

在高海拔地區，假設調溫空氣體積流量基本不變，則空氣密度小，調溫空氣質量流量減少，系統與環境換熱量減少，空氣調溫能力下降，空氣出口附近的設備溫度可能超出使用范圍，空氣壓降減小。

對流換熱系數與密度的關系可由下式得到：

由熱物理性質手冊可知，在空氣溫度不變的情況下，除密度外，其余物性參數變化不大。因此由式（5）可知，h∝ρ0.8。

4 軟件計算結果

典型工況的設備表面溫度云圖如圖6 所示。采用溫度場仿真軟件計算的電子設備溫度曲線與CFD 軟件計算結果的對比如圖7 所示，二者計算結果較一致。

圖6 設備表面的溫度云圖

圖7 電子設備表面平均溫度計算結果對比

5 結論和討論

1）溫度場仿真軟件設計建立了電子設備環境艙的溫度適應性論證與評估的方法，具有計算快速準確的特點。

2）采用模塊化設計可以縮短軟件開發周期。

3）材料熱物理性質參數的準確性對計算結果影響很大。