Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач, определяющих темпы научно-технического прогресса, является создание на основе новейших достижений высоконадежных радиоэлектронных средств (РЭС). На сегодня конструирование РЭС является комплексом взаимосвязанных задач, решение которых возможно лишь при использовании системного подхода с применением знаний тепломассообмена, аэродинамики и других теоретических и прикладных дисциплин.
Задача оптимизации (минимизации) расхода охлаждающего воздуха вытекает из необходимости снижения массы, габаритов и энергопотребления систем воздушного охлаждения (СВО), которые могут приближаться к массе, габаритам и энергопотреблению самой РЭС, а также ограниченности ресурсов воздуха -для охлаждения (особенно на бортовых РЭС, работающих на больших высотах).
В составе существующего математического обеспечения программных средств нет моделей, позволяющих проводить оптимизацию удельного расхода охлаждающего воздуха. Большинство программ не позволяют конструктору анализировать нетиповые (произвольные) конструкции.
В связи с вышеизложенным актуальной является задача разработки метода моделирования теплового режима конструкций РЭС с принудительным воздушным охлаждением и возможностью оптимизации удельного расхода охлаждающего воздуха, создания комплексной математической модели для анализа тепловых и аэродинамических процессов в конструкциях РЭС и разработки на их основе программных и методических средств моделирования РЭС,
позволяющих оптимизировать удельный расход воздуха.
Цель работы. В работе поставлена цель разработать метод моделирования конструкций РЭС с принудительным воздушным охлаждением, позволяющего провести оценку теплового режима с учетом аэродинамических свойств конструкции и минимизировать удельный расход воздуха на единицу рассеиваемой мощности.
Поставленная цель может быть достигнута при решении следующих задач:
1. Разработка метода расчета тепловых и аэродинамических
характеристик конструкций РЭС с принудительным воздушным ох
лаждением и оптимизации удельного расхода охлаждающего возду
ха:
исследование конструктивных особенностей РЭС с принудительным воздушным охлаждением, методов анализа тепловых и аэродинамических моделей конструкций РЭС с принудительным воздушным охлаждением;
формулировка задачи оптимизации,
- разработка комплексной математической модели конструк-
ций РЭС, позволяющей исследовать аэродинамические и тепловые
процессы с учетом их взаимосвязи (зависимость конвективного коэффициента теплоотдачи от скорости движения воздуха и аэродинамических сопротивлений от температуры);
разработка алгоритма оптимизации удельного расхода охлаждающего воздуха и выбор численного метода оптимизации.
выбор методов анализа комплексной модели для стационарного процесса;
2. Разработка программного комплекса моделирования тепло
вых и аэродинамических процессов в РЭС и оптимизации удельного
расхода воздуха:
- разработка алгоритма функционирования программного
комплекса (ПК);
разработка программного обеспечения;
тестирование ПК.
-
Разработка методики автоматизированного моделирования тепловых режимов РЭС с оптимизацией удельного расхода воздуха.
-
Экспериментальная проверка и внедрение результатов работы:
проведение экспериментов для подтверждения адекватности комплексной тепло-аэродинамической модели РЭС;
экспериментальное подтверждение методики;
внедрение результатов диссертационной работы в практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.
Метода исследования. "В процессе решения поставленных задач были использованы принципы системного подхода, топологического моделирования, аппарата теории графов, теории параметрической чувствительности, теории тепло- и массообмена, аэродинамики, численные методы решения систем нелинейных и линейных уравнений, методы оптимизации.
Новые научные результаты. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
1. Разработан метод моделирования тепловых процессов в конструкциях РЭС с принудительным воздушным охлаждением. В отличие от известных метод позволяет исследовать тепловой и аэродинамический режимы конструкции и проводить минимизацию
удельного расхода охлаждающего воздуха. Метод позволяет в отличие от известных методов (0СТ4 Г0012.017, разработанных Дульневым Г.Н., и др.) получить функции параметрической чувствительности температур ЭРЭ и элементов конструкции, тепловых потоков между частями конструкции, расходов воздуха в каналах, образуемых частями конструкции, к геометрическим и тешюфизическим параметрам материалов конструкции для решения задачи минимизации удельного расхода воздуха. Метод также снимает ограничения на разновидности конструкций по сравнению с известными за счет создания библиотеки ветвей, отражающих различные процессы тепломассообмена и аэродинамические сопротивления .
-
Разработана комплексная теплоаэродинамическая модель, основанная на принципах построения топологических моделей и включающая в себя обширную библиотеку из 53 ветвей для моделирования различных видов и разновидностей теплообмена кондукци-ей, излучением и конвекцией, а также 28 ветвей для моделирования различных аэродинамических сопротивлений. Модель позволяет анализировать тепловые и аэродинамические процессы в различных конструкциях РЭС, т.к. она не содержит эмпирических тепловых коэффициентов для конкретных типов конструкций, а дает возможность создавать твшюаэродинамические модели произвольных конструкций. В отличие от известных моделей, разработанная модель является комплексной: конвективные коэффициенты теплоотдачи зависят от расходов воздуха в каналах РЭС, а аэродинамические сопротивления зависят от температур воздуха и омываемых частей конструкции.
-
Разработана методика моделирования конструкций РЭС с
принудительным воздушным охлаждением, основанная на разработанном методе и комплексной модели. Методика отличается от существующих ( описанных в работах Дульнева Г.Н., Коваля В.А. и др.) возможностью на различных этапах проектирования (эскизном, техническом) учитывать связь теплового и аэродинамического режимов и проводить оптимизацию конструкции с целью наховдения оптимального расхода охлаждающего воздуха.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные в ней метод, математическая модель и программное обеспечение по анализу тепловых и аэродинамических характеристик конструкций РЭО, методика моделирования позволяют уменьшить сроки отыскания проектных решений и объем испытаний макетных и опытных образцов за счет частичной замены макетирования и испытаний математическим моделированием тепловых и аэродинамических процессов в РЭС и оптимизацией удельного расхода охлаждающего воздуха.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные модель, алгоритмы, программное обеспечение и методика моделирования использовались при выполнениии хоздоговорных научно-исследовательских работ, проводимых кафедрой "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" Московского государственного института электроники и математики ( научно-исследовательские темы Н13, Н17 ).
Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования УПКБ "Деталь", а также в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики и Уральского государственного технического университета.
-. ь -
Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на двух российских, трех всесоюзных и одной меадународной конференции, а также на научно-технических семинарах кафедры "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" Московского государственного института электроники и математики.
Публикации. По основным результатам проведенных исследований и разработок опубликовано II печатных работ, в том. числе, 4 статьи.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений, включающих в себя акты внедрения и документацию по использованию разработанного программного комплекса.
