电子设备环境舱温度场仿真计算方法范文

摘要：开发了温度场仿真计算软件用于电子设备环境舱高温（日照）、低温环境适应性论证与评估，适用于环境舱静止状态或运输状态。软件采用模块化设计，各模块通过数据文件进行数据交换。计算方法综合了集总参数法与CFD数值模拟的优点，将计算结果与数值模拟结果进行了对比。

关键词：温度场；仿真；集总参数法

探空火箭、航空发动机等航空航天设备的电子元器件具有环境适应性要求，为保证设备在仓储环境静止状态或者在露天环境运输状态的极高温和极低温环境下能够正常工作，需要使用环境舱进行温度控制。如图1所示。温度场仿真计算的研究目的是进行电子设备环境舱的温度控制系统环境适应性仿真，评估电子设备及环境舱的环境适应性。环境试验包括以下几方面：高温（日照），低温，地面风速，海拔高度等。评价环境舱的温度控制性能包括控制时间、电子设备平衡温度等。本文采用温度场仿真计算方法自主开发软件，应用简化的物理模型，可以快速计算得出计算参数，包括电子设备温度变化、不同环境下所需要的调温设备功率等。软件验证方法可采用CFD（ComputedFluidDynamics，计算流体力学）软件数值模拟或试验方法。软件的验证数据来源包括实验室环境试验和自然环境试验。本文主要介绍温度场仿真软件的功能，设计思路，数学物理模型和计算结果。

1软件功能

温度场仿真软件包括两个模块：静止状态模块和运输状态模块，如图2所示。其中静止模块用于环境舱静止（储存环境）工况温度场仿真。运输状态模块用于环境舱运输（露天环境）状态温度场仿真。软件的两个功能模块相互独立，分别对应不同的子程序。两者采用不同的计算模块。避免使用公用的计算模块，可以防止不同发射状态之间的计算变量参数的相互干扰，减少程序结构和代码的错误率。温度场仿真软件建立了可扩充的热物理性质材料库。材料库集成了电子设备设计的70余种常用材料的物性参数，包括密度、比热容、导热系数和表面辐射特性（吸收率和发射率）等，包括单一材料热物理性质和复合材料热物理性质。其中复合材料结构包括一般结构、平板和圆筒壁等。

2软件设计

温度场仿真计算软件采用“分块设计，使用数据文件连接”的模块化的软件设计模式，如图3所示，软件参数输入界面、软件计算主程序与软件后处理程序相互独立的模块，各个模块之间采用数据文件作为模块接口，软件开发小组之间只需协调数据文件的内容和格式。这种软件开发模式的好处是方便了软件开发人员的协作，减少了软件开发的风险，便于软件维护。

3软件理论

本软件计算方法综合了集总参数法与CFD数值模拟的优点，计算准确性优于集总参数法，计算速度优于CFD数值模拟。软件理论模型的简化与假设如下：不考虑环境舱内表面与设备之间的辐射换热。不考虑接触热阻。流体流动性质不随时间变化。除空调流体物性是温度的函数外，其余为常物性。数学模型包括流体控制体和设备控制体热平衡方程。1）流体控制体稳态换热平衡方程[1-2]流体控制体换热量Φf等于设备换热量Φe、流体与外环境换热量Φa、支撑换热量Φh、半导体加热量Φsemi之和，如式（1）：（1）取流体控制体平均温度tf,k等于控制体入口温度tfi,k与出口温度tfo,k的算术平均值，得（2）其中，流体入口温度tfi,k可由前一步的迭代求出，且有tfo,k=tfi,k+1。式（1）中流体与外环境换热量通过环境舱外壁温度tw计算，需要先求解出环境舱外壁温度tw。由于环境舱壁质量和比热容较小，初次近似不计其温度随时间变化。环境舱壁热平衡方程为：2）设备控制体换热平衡方程[2]设备控制体换热量为周围6个控制体的换热量之和，即：设备控制体采用了隐式格式离散。隐式格式的好处是具有绝对稳定性，计算结果不受时间步长大小的影响。初始条件包括设备的初始温度，计算初始日期和时间等。边界条件包括外环境风速，温度，设备所处经纬度、海拔高度，空调系统参数等。计算网格如图4所示，由于支撑内部流道尺寸比设备尺寸小得多，取流体径向网格大小等于流道尺寸。方程求解过程为瞬态过程，如图5所示，每个时间步内，先假设设备温度为已知，求解流体换热方程，计算流体温度，再将流体温度代入到设备控制方程，求解设备温度，反复进行迭代，求解非稳态热平衡方程组。求解差分方程应用高斯-塞德尔（Gauss-Seidel）迭代法求解。可由每个横截面内的设备控制体温度与相邻流体(或支撑)控制体温度插值得到设备表面温度，然后对设备表面温度进行后处理画出温度云图。由热物理性质手册可知，在空气温度不变的情况下，除密度外，其余物性参数变化不大。因此由式（5）可知，h∝ρ0.8。

4软件计算结果

典型工况的设备表面温度云图如图6所示。采用温度场仿真软件计算的电子设备温度曲线与CFD软件计算结果的对比如图7所示，二者计算结果较一致。5结论和讨论1）温度场仿真软件设计建立了电子设备环境舱的温度适应性论证与评估的方法，具有计算快速准确的特点。2）采用模块化设计可以缩短软件开发周期。3）材料热物理性质参数的准确性对计算结果影响很大。

参考文献

[1]杨世铭,陶文铨.传热学(第三版)[M].北京:高等教育出版社,1998

[2]陶文铨.数值传热学(第二版)[M].西安:西安交通大学出版社,2001

作者：于广锋 单位：中航工程集成设备有限公司