Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ метода охлаждения электронной аппаратуры с использованием воздушных радиаторов 9
1.1 Анализ методов охлаждения РЭС 9
1.2 Анализ методов расчета ребристых радиаторов 22
1.2.1 Расчет температурного поля пластины 22
1.2.2 Расчет температурного поля ребра 26
1.3 Тепловой расчет радиаторов на основе известных коэффициентов теплоотдачи 31
1.4 Методы и средства численного анализа тепловых характеристик радиаторов 33
1.4.1 Методы численного анализа и программные средства их реализации 33
1.4.2 Особенности численного анализа радиаторов в СКЭА 38
Выводы к главе 1 41
2 Разработка алгоритмов для подсистемы автоматизированного анализа радиаторов 44
2.1 Разработка алгоритма расчета ребристо-пластинчатых радиаторов 44
2.1.1 Анализ особенностей выполнения расчетов ребристо-пластинчатых радиаторов в СКЭА 45
2.1.2 Проектирование алгоритма численного анализа 48
2.2 Синтез численно-аналитического метода для подсистемы САПР 56
Выводы к главе 2 60
3 Разработка подсистемы САПР инженерного анализа ребристо-пластинчатых радиаторов на основе численного моделирования 62
3.1 Методика подготовки данных для инженерного анализа 62
3.2 Разработка программы подсистемы САПР для анализа однотипных модулей 69
Выводы к главе 3 73
4 Экспериментальные исследования и результаты внедрения 75
4.1 Исследование радиаторов воздушного охлаждения с гофрированной вставкой 75
4.2 Тестирование математической модели и алгоритма расчета ребристо-пластинчатых радиаторов 88
4.3 Результаты внедрения работы при расчете номенклатуры радиаторов воздушного охлаждения силовых модулей 93
Выводы к главе 4 97
Заключение 98
Список литературы 99
Приложение 1 108
Приложение 2 116
Приложение 3 121
Приложение 4 122
- Анализ методов охлаждения РЭС
- Проектирование алгоритма численного анализа
- Методика подготовки данных для инженерного анализа
- Исследование радиаторов воздушного охлаждения с гофрированной вставкой
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современные промышленные изделия
различного назначения невозможно представить без применения
радиотехнических устройств. Предъявляемые к ним жесткие требования по стойкости к температурным воздействиям в значительной мере влияют также и на содержащиеся в них системы. Например, отклонение температуры от допустимых пределов может повлечь за собой необратимые структурные изменения. Кроме того, повышенная температура снижает диэлектрические свойства материалов, ускоряет коррозию конструкционных и проводниковых материалов, значительно изменяет параметры работы полупроводниковых приборов. Также различие в коэффициентах линейного расширения может привести к разрушению залитых компаундами конструкций, корпусов полупроводниковых приборов и их кристаллов, нарушению электрических соединений, изменению характера посадок, ослаблению креплений. Следовательно, повышенная температура значительно снижает надежность устройств. Так увеличение температуры полупроводникового прибора в рабочем диапазоне на 20% повышает интенсивность отказов в 3 раза.
Источником тепла в условиях современных технологий, часто выступают мощные полупроводниковые электрорадиоэлементы. По функциональному назначению эти приборы могут быть как цифровыми вычислительными устройствами, так и различного рода усилителями, элементами коммутации высоких напряжений и токов, элементами радиотрактов, дискретными элементами, выделяющими при работе значительную тепловую мощность. Для обеспечения теплового режима применяются различные методы. Выделяют воздушные, испарительные, жидкостные, кондуктивные, радиационные, специальные и комбинированные системы охлаждения. Теоретическая разработка применения различных устройств интенсификации теплообмена проводится как в России, так и за рубежом, в частности такие сведения приводятся в работах Дульнева Г.Н., Роткопа Л.Л., Чернышева А.А., Девдата П. Кулкарни, Лиора Бабани, В.М. Кейса, А.Л. Лондона, Покорного Е.Г., Щербина А.Г., Вихарева Л., Матусудана И и т.д. Несмотря на развитие технологий охлаждения, основным неотъемлемым элементом любой системы охлаждения земных объектов остается воздушный радиатор. В большинстве случаев качество выбора и исполнения радиатора влияет на показатели эффективности работы системы в целом.
Радиаторы воздушного охлаждения различают по следующим типам: пластинчатые, ребристые, игольчато-штыревые, жалюзийные (ребристо-пластинчатые), типа «краб», петельно-проволочные, фольгированные. По внешнему очертанию ребра подразделяются на прямые, кольцевые и неправильной формы. Использование того или иного типа радиатора обоснованно рассеиваемой тепловой мощностью, требованиям к аэродинамике, размерам радиатора, а также экономической целесообразностью. В работах В.М. Кейса, А.Л. Лондона, Ворони Г.И., Дубровского Е.В. приводятся данные экспериментальных исследований
теплообменников различной конфигурации в приложении к теплообменным аппаратам энергетической и химической промышленности. Также опубликовано сравнение методов производства и параметров радиаторов. На основе этих данных можно заключить, что наиболее эффективными радиаторами являются радиаторы с высокой плотностью ребер, а в особенности ребристо-пластинчатые. В них для интенсификации процессов теплообмена в приграничном слое газа создается турбулентное движением.
Для генерации микровихрей в каналы ребристо-пластинчатого теплообменника вводят элементы из тонколистового материала, изогнутые в различных направлениях. Изгиб и форма, а также материал конструкции определяют тепловую производительность системы. Аналитический расчет потоков газа и тепла в такой конструкции представляется затруднительным в связи с наличием нестационарных сложных вихревых процессов.
В литературе предлагаются различные методики подбора таких радиаторов, которые базируются на экспериментально определенных оценках коэффициента теплоотдачи при различных условиях. Кроме того, большая часть методов расчета основывается на использовании известных коэффициентах теплоотдачи какого-либо его элемента или поверхности. Экспериментальное определение параметров современных радиаторов требует значительных затрат материальных, временных ресурсов, высокой квалификации исполнителей, сложного и дорогостоящего оборудования.
Фирмы-производители электронных компонентов, такие как Intel, Semikron, Mitsubishi Electric и др. предлагают некоторые стандартные решения для охлаждения поставляемых ими полупроводниковых приборов. Существуют также и программные продукты, позволяющие комплексно анализировать режимы работы и охлаждение. Для расчета теплового режима полупроводниковых приборов поставляются также специализированные САПР, ориентированные на продукцию одной фирмы, например, SemiSel (Semicron). Однако неизвестными остаются методы моделирования, заложенные в эти системы. Недостатком этих систем является невозможность использования каких-либо типов радиаторов, кроме имеющихся в каталоге. Это существенно снижает возможности разработки эффективных устройств с оригинальными параметрами.
В связи с растущей производительностью современных средств вычислительной техники широкое распространение получают также методы численного анализа (метод конечных элементов, метод конечных разностей). Реализуются эти методы в системах Ansys, COSMOS, Nastran, Асоника и др. В связи со сложностью и малой размерностью протекающих процессов по сравнению с полными размерами охладителей, зачастую становится невозможно провести анализ ребристо-пластинчатых радиаторов. Для адекватного отражения всех процессов возникает необходимость разбиения области задачи на чрезмерно большое число конечных элементов, что приводит к проблеме «больших чисел». Работа в программных средах анализа требует высокой квалификации и специальной подготовки, а их
стоимость остается недоступной для многих организаций. Это вызывает необходимость применения различных методик, позволяющих сократить машинное время и требования к квалификации персонала.
Таким образом, задача разработки математической модели, а также алгоритма и программы ускоренного анализа ограниченной номенклатуры радиаторов на основе данных численного моделирования является актуальной.
Цель работы: сокращение сроков и совершенствование процесса проектирования радиоэлектронных устройств, содержащих радиаторы сложной конфигурации, снижение затрат на расчет и испытания изделий на их основе.
Поставленная цель может быть достигнута выполнением следующих задач:
анализ методов и средств расчета радиаторов для радиоэлектронных устройств;
разработка алгоритма проведения поэтапного моделирования ребристо-пластинчатых радиаторов в СКЭА;
разработка математического и алгоритмического обеспечения проектирования ребристо-пластинчатых радиаторов радиоэлектронных устройств;
— разработка метода расчета ребристо-пластинчатых радиаторов.
Методы исследований основаны на использовании методов
автоматизированного проектирования, математического моделирования, численных методов, теории теплопроводности, а также теории эксперимента и теории точности.
Научная новизна работы:
разработан алгоритм поэтапного расчета ребристо-пластинчатых радиаторов;
уточнена математическая модель теплофизических параметров ребристо-пластинчатых радиаторов, разработана методика её применения при проектировании радиоэлектронных устройств;
— создана методика подготовки данных и инженерного расчета
ребристо-пластинчатых радиаторов.
Практическая ценность:
разработана методика инженерного расчета ребристо-пластинчатых радиаторов, позволяющая сократить время проектирования радиоэлектронных устройств на их основе;
разработана программа расчета широкой номенклатуры однотипных радиаторов с использованием данных численного моделирования.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ФГУП ВНИИ «Сигнал», г. Ковров в ходе выполнения хоздоговорной НИР №№511100/1 (3962/10) «Исследование зависимости максимальной мощности рассеивания составных частей электропривода от параметров системы охлаждения», и во
Владимирском государственном университете при выполнении госбюджетной НИР №400/04-08. На защиту выносятся:
алгоритм решения прямой задачи расчета тепловых параметров ребристо-пластинчатых радиаторов;
алгоритм решения обратной задачи расчета тепловых параметров ребристо-пластинчатых радиаторов;
математическая модель для аналитического расчета тепловых параметров ребристо-пластинчатых радиаторов на основе данных численного моделирования;
методика вычисления коэффициента теплоотдачи элементов радиатора в системах конечно-элементного анализа.
Апробация работы:
Основные положения и результаты работы обсуждались на семинарах кафедры конструирования и технологии радиоэлектронных средств Владимирского государственного университета и следующих конференциях:
IX международная научно-практическая конференция «Моделирование. Теория, методы и средства», Новочеркасск, 2009 г.;
IX международная научно-практическая конференция «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике», Новочеркасск, 2009 г.;
II Всероссийские научные Зворыкинские чтения «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России», Муром, 2010 г.;
IX международная научно-техническая конференция с элементами научной молодежной школы «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии», Владимир, 2010 г.;
международная заочная конференця молодых ученых, студентов и специалистов "Инновационные технологии в проектировании", Пенза, 2011 г.;
IX международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир-Суздаль, 2011 г.
Публикации по работе: Материалы по теме диссертации опубликованы в 7 работах и в одном научно-техническом отчете по НИР, из которых 2 статья входит в перечень изданий, рекомендуемых ВАК.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 123 страницах, содержит 45 рисунков и 15 таблиц, а также включает список литературы, состоящий из 88 наименований, и приложений.
Анализ методов охлаждения РЭС
Электронные устройства различного назначения широко используются человеком в различных видах его деятельности, при этом в значительной степени отличаются как условия работы, так и требования по массогабаритным параметрам и стоимости оборудования.
При использовании в оборудовании таких классов электронных приборов, как высокоскоростные процессоры, полупроводниковые устройства управления приводами, усилители и источники питания большой мощности и т.д. неизбежно вникает проблема построения эффективного механизма рассеяния избыточного тепла, выделяющегося при работе. Несмотря на то, что производители электронных компонентов стремятся снизить мощность паразитных потерь, она не только не уменьшается, но также и увеличивается. В ближайшие несколько лет плотность потока мощности тепловых потерь на полупроводниковых приборах различных классов может достигнуть 100 Вт/см и более [11]. При этом требования к массе и габаритам устройств неуклонно повышаются, что ведет к росту удельной объемной плотности тепловой энергии.
Для эффективного отвода тепловых потоков и поддержания температуры отдельных электрорадиоэлементов и устройства в целом используются различные методы охлаждения: воздушные, жидкостные и испарительные, кондуктивные, радиационные, специальные. По затрачиваемой на транспортировку и рассеяние тепла энергии все системы охлаждения подразделяются также на пассивные и активные [26]. Соответственно, в пассивных системах все процессы происходят под действием естественных сил: гравитация, диффузия, в активных системах наблюдается расход энергии на транспортировку и/или рассеяние тепловой энергии.
Как правило, большинство методов представляет собой одну из разновидностей системы теплопереноса. Так жидкостные системы используются, как правило, в случаях организации централизованной системы охлаждения большого количества теплонагруженных электрорадиоэлементов, например в ПК (рисунок 1.1). Перемещение жидкости в системе может осуществляться принудительно (активная система), так и при условиях свободной конвекции (пассивная система). Эффективность такой системы и особенности её организации позволяют отводить значительные тепловые потоки [26], но надежность устройства снижается, так как имеется большое количество движущихся деталей, некоторый выделенный для жидкости объем, который должен сохраняться герметичным либо малопроницаемым. Конструкция жидкостной системы не позволяет реализовать её в малом объеме, и с малым весом.
В зарубежной литературе описаны новые современные решения в области жидкостного охлаждения. В частности, в работах [9, 10] показана возможность использования микроканальных систем охлаждения (рисунок 1.2). Развитие технологий микроэлектроники сделало возможным осуществление глубокого ионного травления, позволяя создавать рельефную поверхность любой формы без существенного бокового подтрава. В традиционной технологии теплообменник размещается на поверхности кристалла или корпуса микросхемы, являясь отдельной деталью, что создает дополнительное тепловое сопротивление на контакте кристалл/корпус -теплообменник. В методе микроканального охлаждения на поверхности кристалла формируется сеть каналов, с характерным размером от 5 мкм до 250мкм[10].
В основе метода лежит тот факт, что коэффициент теплопроводности для ламинарного потока обратно пропорционален гидравлическому диаметру канала [9]. Иными словами, чем меньше канал, тем больше возможность отводить тепло от источника. Коэффициент теплопроводности такой системы может достигать 80000 Вт/м К [11]. В традиционной системе с «макроканалами» разница температур на входе и выходе устройства теплоотбора не велика, в то время как в микроканальной системе температура носителя на выходе приближается к температуре источника. В литературе показано, что существующие в настоящий момент системы позволяют отводить удельный поток мощности в 500 Вт/мм2К [11]. Возможно также создание отдельных кремниевых теплообменников со структурой микроканалов и соединение их в пакеты или стеки, что позволит отводить еще более интенсивные тепловые потоки.
Другой инновацией в области жидкостных систем является использование так называемых наножидкостей. Наножидкости представляют собой коллоидный раствор наноразмерных частиц в базовой жидкости [10]. В качестве базовых могут выступать вода, этилен-гликоль, пропилен-гликоль, глицерин и др.
Размеры частиц составляют порядка 100 нм. Материал частиц может быть различный, в работе [10] приводятся данные о том, что практически было достигнуто увеличение теплопроводности на 40% при 0,3 объемных % содержания медных наночастиц в этилен-гликоле. Опубликованные данные исследований говорят о том, что существенное увеличение коэффициента теплопроводности в узких каналах можно получить лишь в ламинарном потоке, эффект может достигать 2 раз и более. При добавлении в воду 15 объемных % СиО теплопроводность изменяется от 0,602 Вт/м К до 0,916 Вт/м К. Достичь этого можно, в частности, использованием систем микроканального охлаждения. Таким образом, комбинация двух современных подходов может значительно увеличить производительность систем жидкостного охлаждения.
Системы охлаждения, использующие для транспортировки энергии фазовый переход (испарение), являются высокоэффективными, так как поток тепла, отводимый от источника, пропорционален энергии кипения, а она на несколько порядков превосходит теплоемкость вещества. Согласно различным источникам [15, 19], тепловые трубы могут быть отнесены как к группе испарительных [19], так и к группе специальных [15] устройств. Тепловая трубка, в простейшем виде, представляет собой полый, герметичный, предварительно отвакуумированный, корпус, внутренняя поверхность которого, имеет капиллярную структуру, насыщенную жидким теплоносителем (рисунок 1.4). Тепловой поток, подводимый к зоне испарения, вызывает испарение жидкости с поверхности капиллярной структуры. Поток пара, под действием градиента давления, перемещается по паровому каналу транспортной (адиабатной) зоны в зону конденсации. При отводе теплоты, пар конденсируется на поверхности капиллярного слоя в этой зоне, и конденсат возвращается в зону испарения под действие капиллярных сил. Основные преимущества: простота конструкции, отсутствие подвижных частей, малые массогабаритные характеристики, отсутствие затрат энергии, высокая эквивалентная теплопроводность [19]. Благодаря этому, а также возможности варьировать рабочие температуры и размеры, такая технология получила широкое распространение в мобильных приложениях. Но требования по диапазону рабочих температур, предъявляемые к ЭС специального назначения, не всегда позволяют использовать данную технологию.
Одной из современных систем, основанных на процессах фазового перехода, является струйное охлаждение. Принцип работы заключается в следующем: на поверхность охлаждаемого объекта через сопло распыляется какая-либо жидкость, температура кипения которой не превышает предельно допустимой для прибора. При охлаждении, жидкость испаряется и поступает в конденсатор. Существует другая проблема: точная дозировка жидкости, во избежание образования пленки или «лужи» на поверхности охлаждения, так как ей может являться не только основание, но и непосредственно полупроводниковый кристалл. Для точной дозировки хладагента, кроме сопел различной формы, может использоваться система распыления, подобная устройству печатной головки в струйном принтере (рисунок 1.5). В литературе приводятся данные, что такая система может обеспечить отвод тепловых потоков в 100 Вт/см" и более [11].
К кондуктивным системам охлаждения относятся те, которые используют теплопроводность в качестве основного механизма переноса тепла. К ним можно, отнести теплоотводящие прокладки (рисунок 1.6), теплоотводящие шины, основания и другие конструкции. В частности, радиатор воздушного охлаждения можно рассматривать как комбинацию двух методов: кондуктивного и воздушного. Область применения связана с небольшой удельной тепловой мощностью приборов, что обусловлено недостаточно высокой теплопроводностью материалов.
Проектирование алгоритма численного анализа
Существует лишь два способа уменьшить число конечных элементов: уменьшить зону расчета, увеличить размер конечного элемента.
Увеличение размера конечного элемента не может быть использовано в отношении объема газа, особенно это касается областей внутри ребристо-пластинчатого радиатора, где по данным источников [33, 34] образуется зона турбулентного течения, что и приводит к повышению эффективности такого типа конструкций радиаторов. В рекомендациях программы Ansys по построению конечно-элементной сетки сказано, что размер конечного элемента должен быть уменьшен в зоне с возможной турбулентностью. Также в случае, если расчет показывает наличие турбулентного течения в области, где при разбиении не было этого предусмотрено, необходимо повторить разбиение и расчет для получения адекватных результатов. Размер конечного элемента может быть увеличен в областях твердого тела, где нет резких изменений температуры и процессы более медленными по сравнению с течением газа. Но, вследствие того, что тонкие элементы в конструкции ребристо-пластинчатого радиатора имеют малую, по сравнению с основанием, размерность, значительно увеличить размер конечного элемента также не удается.
Несмотря на предпринимаемые меры по уменьшению количества конечных элементов в конструкции радиатора, значительных результатов, позволивших повлиять на проведение анализа, достигнуть не удалось.
Таким образом, единственным доступным средством влияния остается уменьшение размеров рассчитываемой области. Нетрудно заметить, что большинство конструкций радиаторов состоят из повторяющихся элементов. Если пренебречь неравномерностью распределения воздушного потока по каналам между ребрами в зависимости от удаленности их от края радиатора, то можно выделить 2 типа ребер (и, соответственно тонки элементов между ними): крайние и средние. При этом крайние характеризуются наличием свободного пространства с одной из сторон, а средние, с обоих сторон окружены другими ребрами. Следует также отметить, что некоторые конструкции радиаторов предусматривают отличие толщины крайних ребер от средних, например, для выполнения несущих функций.
Следствием принятых в главе 1 допущений является то, что воздушный поток в пространстве между ребрами можно считать одинаковым по всей конструкции радиатора. Тогда, решение задачи можно разбить на несколько этапов, на каждом из которых осуществляется решение задачи с одним характеристическим элементом, получением его удельных тепловых характеристик и их передаче на следующий этап, где конструктивный элемент первого этапа заменяется лишь граничным условием и не участвует форма каналов ребристо-пластинчатого радиатора в дальнейшем анализе. Так достигается уменьшение зоны расчета на каждом из этапов, а также число конечных элементов, необходимых для анализа. Проблемой является определение критерия и его вычисление. Здесь необходимо исходить из тех величин, которые могут быть заданы как граничные условия в конкретной системе. В дальнейшем рассматривается СКЭА Ansys, как наиболее подходящая для решения такого класса задач. В модуле CFX, используемом для тепло-газодинамического анализа, для домена твердого тела (Solid Domain), предусмотрены следующие граничные условия: адиабатическая стена (Adiabatic Wall), температурная стена (Temperature Wall), тепловой поток (Heat Flux), коэффициент теплопередачи (Heat Transfer Coefficient). Из них наиболее удобной является коэффициент теплоотдачи, который характеризует способность отдавать тепло конкретного элемента конструкции, и его величина не зависит от разности температур (тепловой мощности), что позволяет использовать его при различных тепловых нагрузках.
Таким образом, ставится задача вычислить средний коэффициент теплоотдачи на поверхности контакта двух элементов. Для примера, принимается конструкция радиатора, показанная на рисунке 2.3, взятая из номенклатуры ФГУП НИИ «Сигнал» (г. Ковров).
На первом этапе необходимо рассчитать коэффициент теплопередачи от тонких гофрированных вставок между ребрами на сами ребра. Для этого нет необходимости анализировать радиатор целиком, вместо этого для получения коэффициента теплоотдачи на границе контакта гофрированный элемент- ребро радиатора, достаточно провести анализ части конструкции, например, как на рисунке 2.4, либо меньше. Граница контакта представляет собой отдельные поверхности, которые в системе будут обозначены как контакт твердое-твердое (Solid-Solid Interface).
Тепловой нагрузкой в этом случае может выступать температурная стена (Temperature Wall), так искомый коэффициент не зависит от нее. Необходимо установить значение скорости потока воздуха, равное эксплуатационной, либо задать характеристику вентилятора как граничное условие газовой области. Необходимо также учитывать рекомендации для проведения анализа в части построения конечно-элементной сетки, задания граничных условий, запуска расчета.
Следующей особенностью является вычисление среднего коэффициента теплопередачи в пост-процессоре. Для этого после успешного завершения анализа необходимо рассчитать уловный коэффициент теплопередачи. Поверхности, для которых в указанном примере необходимо вычислять этот коэффициент, показаны на рисунке 2.5. Строго говоря, этот параметр имеет размерность коэффициента теплопередачи, однако не является им по сути, так как он рассчитывается для теплообменных процессов твердое тело - жидкость, либо твердое тело - газ.
Для создания поверхности контакта ребра с основанием в процессе построения они должны быть определены как различные тела, возможно, с нулевым тепловым сопротивлением на переходе между ними. Очередная итерация вычисления дает возможность получить коэффициент теплоотдачи ребра.
На следующем этапе, полученные в предыдущем величины коэффициентов теплоотдачи ребер могут быть назначены в качестве граничного условия основания с повторением вычисления. В качестве тепловой нагрузки могут быть заданы уже реальные требуемые параметры (мощность тепловыделения, тепловой поток, температура).
Описанную последовательность можно представить в виде алгоритма (рисунок 2.6). Количество этапов моделирования моно определить исходя из количества уникальных (не повторяющихся) элементов в конструкции радиатора. Так как в общем случае их число не оговаривается, то и продолжительность процесса также зависит от этого. Расчет необходимо проводить в соответствии с иерархией конструктивных элементов.
В общем случае количество этапов вычисления может быть произвольным, достаточным для анализа конструкции высокой сложности, что делает приведенный алгоритм универсальным как в части анализируемых конструкций, так и в части ограничений, накладываемых на аппаратное обеспечение компьютера.
Методика подготовки данных для инженерного анализа
В ходе выполнения конструкторских работ требуется многократно проводить расчеты различной конфигураций радиаторов для определения оптимальных в данных условиях конструктивных решений. При этом, в случае ребристо-пластинчатого радиатора, изменяется конфигурация основания, реже высота и друге параметры ребер. Кроме того, следует учитывать, что большинство организаций, проектирующих или выпускающих массовую и крупносерийную продукцию, имеют устоявшийся ряд размеров радиаторов и типов их конструкции. Таким образом, при проектировании встает вопрос выбора типоразмера радиатора из некоторого ограниченного набора.
В таком случае покупка дорогостоящих СКЭА и аппаратной платформы для них является невыгодной, так как необходимость в них отпадет после проведения расчетов для большинства элементов номенклатуры. Единичный расчет в такой системе также занимает много машинного времени, а подготовка исходных данных требует высокой квалификации работников. В этих условиях наиболее эффективным представляется однократное выполнение расчетов с использованием СКЭА, после которого данные в виде таблицы или программы передаются разработчикам аппаратуры. Тогда расчет параметров радиаторов одной конструкционной базы будет занимать много меньше времени, не потребует материальных затрат на приобретение программ и оборудования.
Подготовку данных для такого рода анализа следует начинать со сбора информации о характере работы систем охлаждения, применяемых в конструкциях данного предприятия, виду и характеристиках тепловыделяющих элементов, конструктивных особенностях применяемых радиаторов. Важным является также характер воздушных потоков, воздействующих на радиаторы, давление, газовый состав.
Для проверки правильности построения модели необходимо провести физические эксперименты с несколькими типами радиаторов, это позволяет ввести уточнения в модели.
При подготовке численного анализа, в соответствии с алгоритмом, приведенным в п. 2.2, одним из основных этапов является разбиение модели радиатора на отдельные характеристические элементы. От качества выполнения этой операции зависит скорость и точность полученного в дальнейшем решения.
Разбиение модели следует начать с выделения основания. Основание здесь- деталь, использующаяся для закрепления для закрепления на ней тепловыделяющего элемента, а также самого радиатора. Как правило, для увеличения площади рассеяния тепла основание снабжается высокоразвитым оребрением. Форма оребрения может быть различной, что зависит от способа изготовления радиатора [32]. Тянутые радиаторы различных форм представлены на рисунке 3.1.
После построения модели подготавливается расчет в СКЭА в соответствии с алгоритмом (рисунок 2.5). На каждом этапе получаются коэффициенты теплоотдачи Іго элемента конструкции а,-, и применяется в качестве граничного условия на следующем этапе. Таким образом, накапливается массив данных удельных характеристик различных конструктивных элементов, который в дальнейшем может быть использован для расчета отличных от текущего задания конструкций радиаторов с аналогичными элементами. Для конструкции радиатора, приведенного на рисунке 3.4, был получен следующий набор данных (таблица 3, таблица 4). На рисунке 3.5 представлена модель элемента радиатора на первом этапе анализа.
Таким образом, получив a- в дальнейшем возможно проводить моделирование различных по размеру оснований с различным числом установленных на них тепловыделяющих элементов. Набор данных коэффициентов, рассчитанных для различных конструкций, различных условий составляют базу данных конструктора электронных средств, на основе которой он может решать различные задачи при проектировании теплоотвода ЭС.
Исследование радиаторов воздушного охлаждения с гофрированной вставкой
Подтверждение эффективности и точности разработанной методики расчета радиаторов воздушного охлаждения может быть получено путем сравнения экспериментальных данных с расчетными. В процессе исследования непосредственно измеряемым параметром радиатора является температура перегрева в точке приложения тепловой нагрузки, на основе этой характеристики для расчетной и экспериментальной модели вычисляется тепловое сопротивление.
С целью оценки реальных характеристик радиаторов, были взяты образцы из номенклатуры радиаторов ФГУП ВНИИ «Сигнал», г. Ковров. Конструкция исследуемого радиатора приводятся на рисунке Рисунок 4.5. В качестве тепловыделяющего элемента использовалась алюминиевая пластина с вмонтированными в нее 2 нагревательными элементами.
Испытания проводились на специализированном стенде, схема которого представлена на рисунке 4.1. Фотографии испытательного стенда представлены на рисунках 4.2,4.3.
Стенд представляет собой радиальный вентилятор, установленный на опорной плите, привод которого осуществляется асинхронным электродвигателем. Для выравнивания потока воздуха между радиатором и вентилятором установлен диффузор. Радиатор закреплен на диффузоре таким образом, что обдувается только его ребристо-пластинчатая часть. Нагреватель прочно закреплен на радиаторе посредствам 4 винтов. Для улучшения теплового контакта между ними, поверхности радиатора и нагревателя предварительно отшлифованы, и соединены с использованием термопасты КГТТ-8. Для уменьшения теплоотдачи помимо радиатора, нагреватель, а также основание радиатора закрываются теплоизолирующим кожухом. Предварительно в основание радиатора был вмонтирован выносной датчик температуры лабораторного термометра ЛТ-300.
В процессе проведения эксперимента посредствам регулятора изменялась частота вращения крыльчатки вентилятора, при этом при помощи анемометра малых скоростей АМС-02 производился контроль потока воздуха после вентилятора. Анемометр установлен на расстоянии ПО мм от радиатора в соответствии с руководством по эксплуатации. Устанавливалось 4 значения скорости потока: 3 м/с, 6 м/с, 9 м/с, 12 м/с. Нагреватель питался постоянным током напряжением около 25 В, при этом при помощи амперметра и вольтметра, включенных в цепь нагревателя, контролировалась подаваемая мощность.
Эксперимент проводился с 4 параллельными опытами.
Радиатор- алюминиевый охладитель длиной 80 мм с 10 впаянными рёбрами и алюминиевой гофрированной фольгой толщиной 0,15 мм в межрёберных каналах, масса охладителя - 1120 г.
Расчет радиаторов был проведен в соответствии с разработанным алгоритмом рисунок 2.7. На первом этапе проводился анализ коэффициента теплоотдачи гофрированной вставки. Так как параметры конструкции гофрированной вставки идентичны, то модель имеет различия лишь в ее толщине. Внешний вид расчетной модели для вставки представлен на рисунке 4.6.
Расчет производился в СКЭА Ansys при нормальных условиях для 4 скоростей: 3 м/с, 6 м/с, 9 м/с, 12 м/с. Полученные результаты представлены в таблице 7.
Анализируя косвенные погрешности измерения величины теплового сопротивления очевидно, что величина относительной погрешности не превышает 2 %, таким образом погрешность косвенных измерений существенно не влияет на получаемые результаты.
В соответствии с алгоритмом, на втором этапе к поверхности контакта ребра с гофрированной вставкой прикладывается граничное условие в виде коэффициента теплоотдачи гофрированной вставки ag. Расчет проводится для модели, приведенной на рисунке с теми же условиями. Полученные результаты представлены в таблице 10.
В результате проведенных экспериментов и последующей обработке результатов можно сделать вывод, что предложенная математическая модель и алгоритм расчета позволяют получать достоверные данные о тепловых параметрах ребристо-пластинчатых радиаторов.
