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Icepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2014-07-21 17:53:51于德江李振超王歡
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年23期

于德江+李振超+王歡

摘 要:文章明確了熱設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要性,介紹了電子設(shè)備散熱的若干方法;對(duì)熱分析軟件Icepak的功能特點(diǎn)、應(yīng)用范圍以及仿真步驟進(jìn)行了介紹,并利用Icepak軟件進(jìn)行了實(shí)例仿真。

關(guān)鍵詞:Icepak;熱設(shè)計(jì);熱仿真

1 概述

圖1給出了基于Icepak (實(shí)線)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)(虛線)的兩種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式的比較。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員通過(guò)Pro/E等大型三維CAD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì),建立產(chǎn)品的虛擬樣機(jī),基于Icepak的產(chǎn)品設(shè)計(jì)用在虛擬樣機(jī)上的仿真替代了在物理樣機(jī)上的測(cè)試,這樣能夠減少甚至取消物理樣機(jī)的制造,大幅度地縮短研發(fā)流程,降低研發(fā)費(fèi)用,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。因此特別適合于物理樣機(jī)制造周期長(zhǎng)、費(fèi)用昂貴的復(fù)雜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

圖1 兩種開(kāi)發(fā)模式的比較

2 電子設(shè)備的散熱方法

2.1 傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是由于動(dòng)能從一個(gè)分子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)分子而引起的熱傳遞。傳導(dǎo)可以在固體、液體或氣體中發(fā)生,它是在不透明固體中發(fā)生傳熱的唯一形式。對(duì)于電子設(shè)備,傳導(dǎo)是一種非常重要的傳熱方式。

利用傳導(dǎo)進(jìn)行散熱的方法有:增大接觸面積、選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的材料、縮短熱流通路、提高接觸面的表面質(zhì)量、在接觸面填導(dǎo)熱脂或加導(dǎo)熱墊、接觸壓力均勻等。

2.2 對(duì)流

對(duì)流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對(duì)流分為自由對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流,是電子設(shè)備普遍采用的一種散熱方式。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中提到的風(fēng)冷散熱和水冷散熱都屬于對(duì)流散熱方式。

2.3 輻射

輻射是在真空中進(jìn)行傳熱的唯一方式,它是量子從熱體(輻射體)到冷體(吸收體)的轉(zhuǎn)移。提高輻射散熱的方法有:提高冷體的黑度、增大輻射體與冷體之間的角系數(shù)、增大輻射面積等。

3 Icepak軟件介紹

3.1 功能及特點(diǎn)

Icepak軟件是專(zhuān)業(yè)的、面向工程師的電子產(chǎn)品熱控分析軟件,可以解決各種不同類(lèi)型和尺度的熱流耦合仿真問(wèn)題,在航空和航天電子設(shè)備、通訊、汽車(chē)、電氣、電源設(shè)備、通用電器及家電等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

Icepak具有以下技術(shù)特點(diǎn):(1)建??焖?,具有多種模型直接接口、現(xiàn)成的模型庫(kù)、各種形狀的幾何模型。(2)自動(dòng)網(wǎng)格生成,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù),支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網(wǎng)格類(lèi)型。(3)廣泛的模型能力,擁有用戶(hù)模擬過(guò)程所需要的各種物理模型,包括流動(dòng)模型和傳熱模型。(4)解算功能,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)求解器。(5)可視化后置處理。

3.2 仿真分析流程

(1)利用Icepak所提供的基于對(duì)象的模型模塊對(duì)部件級(jí)、板級(jí)或系統(tǒng)級(jí)的問(wèn)題進(jìn)行建模。(2)定義整個(gè)系統(tǒng)的熱計(jì)算區(qū)域。(3)定義各種材質(zhì)的物理特性。(4)定義邊界條件,如熱流密度、導(dǎo)熱率、傳熱系數(shù)、初始溫度等計(jì)算時(shí)所必須的參數(shù)。(5)檢查模型及物體定義,對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,保存生成的網(wǎng)格文件。(6)檢查氣流,在求解之前通過(guò)估算Reynolds和Peclet參數(shù)以確定用層流模式還是湍流模式。(7)通過(guò)Icepak求解器讀取保存的網(wǎng)格文件,設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn),設(shè)定迭代次數(shù),開(kāi)始計(jì)算。(8)查看計(jì)算結(jié)果,利用Icepak的后處理功能來(lái)顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各種參數(shù)曲線(若均收斂,說(shuō)明網(wǎng)格優(yōu)良,計(jì)算結(jié)果可信)、速度向量切面、溫度云圖以及速度、溫度、壓力的最大值等。

4 熱仿真實(shí)例

某電子設(shè)備為航天設(shè)備,應(yīng)用環(huán)境為真空,環(huán)境溫度60℃,機(jī)箱材料為2A12鋁合金,機(jī)箱內(nèi)置9塊電路板,總功率為12.98W,采用的散熱方式為傳導(dǎo)和輻射,具體方法為:(1)機(jī)箱氧化為黑色,以便提高輻射換熱系數(shù);(2)盡可能減少輻射的遮蔽,以提高輻射散熱效果;(3)在機(jī)殼側(cè)面開(kāi)減輕槽,增加其側(cè)表面積,加強(qiáng)輻射散熱;(4)在電路板上設(shè)計(jì)冷板,元器件通過(guò)冷板與電路板電裝在一起,通過(guò)冷板增加散熱面積,將熱量快速傳導(dǎo)至機(jī)箱;(5)元器件底面及側(cè)面加涂導(dǎo)熱膠,使元器件底面和電路板底面可靠的大面積接觸,增強(qiáng)元器件對(duì)電路板的傳導(dǎo)效率。

為了驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的可行性,利用Icepak軟件對(duì)該電子設(shè)備進(jìn)行了熱仿真,三維模型與仿真模型如圖2所示。

圖2 某電子設(shè)備三維模型及仿真模型

模型建立完成,設(shè)置好計(jì)算區(qū)域,并定義好材料特性和邊界條件后,對(duì)該電子設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)模型共劃分559179個(gè)單元網(wǎng)格,367532個(gè)節(jié)點(diǎn)。設(shè)定好監(jiān)測(cè)點(diǎn)和迭代次數(shù),開(kāi)始計(jì)算,收斂曲線和溫度監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。

圖3 熱分析收斂曲線和溫度監(jiān)測(cè)曲線

利用Icepak后處理功能查看計(jì)算結(jié)果,最高溫度出現(xiàn)在機(jī)箱內(nèi)某電源板上,為79.4℃,滿(mǎn)足器件需用溫度范圍,溫度分布云圖如圖4所示。通過(guò)查看結(jié)果,該電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)合理可行,能夠滿(mǎn)足環(huán)境使用要求。

圖4 溫度分布云圖

參考文獻(xiàn)

[1]余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1999.

[3]劉一兵.電子設(shè)備散熱技術(shù)研究[J].電子工藝技術(shù),2007(5):286-289.

[4]李增辰.ICEPAK軟件三維熱分析及應(yīng)用[R].FLUENT第一屆中國(guó)用戶(hù)大會(huì),2006:208-212.

[5]薛晨暉.大功率密封機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程,2005,21(6):4-7.

摘 要:文章明確了熱設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要性,介紹了電子設(shè)備散熱的若干方法;對(duì)熱分析軟件Icepak的功能特點(diǎn)、應(yīng)用范圍以及仿真步驟進(jìn)行了介紹,并利用Icepak軟件進(jìn)行了實(shí)例仿真。

關(guān)鍵詞:Icepak;熱設(shè)計(jì);熱仿真

1 概述

圖1給出了基于Icepak (實(shí)線)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)(虛線)的兩種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式的比較。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員通過(guò)Pro/E等大型三維CAD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì),建立產(chǎn)品的虛擬樣機(jī),基于Icepak的產(chǎn)品設(shè)計(jì)用在虛擬樣機(jī)上的仿真替代了在物理樣機(jī)上的測(cè)試,這樣能夠減少甚至取消物理樣機(jī)的制造,大幅度地縮短研發(fā)流程,降低研發(fā)費(fèi)用,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。因此特別適合于物理樣機(jī)制造周期長(zhǎng)、費(fèi)用昂貴的復(fù)雜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

圖1 兩種開(kāi)發(fā)模式的比較

2 電子設(shè)備的散熱方法

2.1 傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是由于動(dòng)能從一個(gè)分子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)分子而引起的熱傳遞。傳導(dǎo)可以在固體、液體或氣體中發(fā)生,它是在不透明固體中發(fā)生傳熱的唯一形式。對(duì)于電子設(shè)備,傳導(dǎo)是一種非常重要的傳熱方式。

利用傳導(dǎo)進(jìn)行散熱的方法有:增大接觸面積、選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的材料、縮短熱流通路、提高接觸面的表面質(zhì)量、在接觸面填導(dǎo)熱脂或加導(dǎo)熱墊、接觸壓力均勻等。

2.2 對(duì)流

對(duì)流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對(duì)流分為自由對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流,是電子設(shè)備普遍采用的一種散熱方式。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中提到的風(fēng)冷散熱和水冷散熱都屬于對(duì)流散熱方式。

2.3 輻射

輻射是在真空中進(jìn)行傳熱的唯一方式,它是量子從熱體(輻射體)到冷體(吸收體)的轉(zhuǎn)移。提高輻射散熱的方法有:提高冷體的黑度、增大輻射體與冷體之間的角系數(shù)、增大輻射面積等。

3 Icepak軟件介紹

3.1 功能及特點(diǎn)

Icepak軟件是專(zhuān)業(yè)的、面向工程師的電子產(chǎn)品熱控分析軟件,可以解決各種不同類(lèi)型和尺度的熱流耦合仿真問(wèn)題,在航空和航天電子設(shè)備、通訊、汽車(chē)、電氣、電源設(shè)備、通用電器及家電等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

Icepak具有以下技術(shù)特點(diǎn):(1)建模快速,具有多種模型直接接口、現(xiàn)成的模型庫(kù)、各種形狀的幾何模型。(2)自動(dòng)網(wǎng)格生成,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù),支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網(wǎng)格類(lèi)型。(3)廣泛的模型能力,擁有用戶(hù)模擬過(guò)程所需要的各種物理模型,包括流動(dòng)模型和傳熱模型。(4)解算功能,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)求解器。(5)可視化后置處理。

3.2 仿真分析流程

(1)利用Icepak所提供的基于對(duì)象的模型模塊對(duì)部件級(jí)、板級(jí)或系統(tǒng)級(jí)的問(wèn)題進(jìn)行建模。(2)定義整個(gè)系統(tǒng)的熱計(jì)算區(qū)域。(3)定義各種材質(zhì)的物理特性。(4)定義邊界條件,如熱流密度、導(dǎo)熱率、傳熱系數(shù)、初始溫度等計(jì)算時(shí)所必須的參數(shù)。(5)檢查模型及物體定義,對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,保存生成的網(wǎng)格文件。(6)檢查氣流,在求解之前通過(guò)估算Reynolds和Peclet參數(shù)以確定用層流模式還是湍流模式。(7)通過(guò)Icepak求解器讀取保存的網(wǎng)格文件,設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn),設(shè)定迭代次數(shù),開(kāi)始計(jì)算。(8)查看計(jì)算結(jié)果,利用Icepak的后處理功能來(lái)顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各種參數(shù)曲線(若均收斂,說(shuō)明網(wǎng)格優(yōu)良,計(jì)算結(jié)果可信)、速度向量切面、溫度云圖以及速度、溫度、壓力的最大值等。

4 熱仿真實(shí)例

某電子設(shè)備為航天設(shè)備,應(yīng)用環(huán)境為真空,環(huán)境溫度60℃,機(jī)箱材料為2A12鋁合金,機(jī)箱內(nèi)置9塊電路板,總功率為12.98W,采用的散熱方式為傳導(dǎo)和輻射,具體方法為:(1)機(jī)箱氧化為黑色,以便提高輻射換熱系數(shù);(2)盡可能減少輻射的遮蔽,以提高輻射散熱效果;(3)在機(jī)殼側(cè)面開(kāi)減輕槽,增加其側(cè)表面積,加強(qiáng)輻射散熱;(4)在電路板上設(shè)計(jì)冷板,元器件通過(guò)冷板與電路板電裝在一起,通過(guò)冷板增加散熱面積,將熱量快速傳導(dǎo)至機(jī)箱;(5)元器件底面及側(cè)面加涂導(dǎo)熱膠,使元器件底面和電路板底面可靠的大面積接觸,增強(qiáng)元器件對(duì)電路板的傳導(dǎo)效率。

為了驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的可行性,利用Icepak軟件對(duì)該電子設(shè)備進(jìn)行了熱仿真,三維模型與仿真模型如圖2所示。

圖2 某電子設(shè)備三維模型及仿真模型

模型建立完成,設(shè)置好計(jì)算區(qū)域,并定義好材料特性和邊界條件后,對(duì)該電子設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)模型共劃分559179個(gè)單元網(wǎng)格,367532個(gè)節(jié)點(diǎn)。設(shè)定好監(jiān)測(cè)點(diǎn)和迭代次數(shù),開(kāi)始計(jì)算,收斂曲線和溫度監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。

圖3 熱分析收斂曲線和溫度監(jiān)測(cè)曲線

利用Icepak后處理功能查看計(jì)算結(jié)果,最高溫度出現(xiàn)在機(jī)箱內(nèi)某電源板上,為79.4℃,滿(mǎn)足器件需用溫度范圍,溫度分布云圖如圖4所示。通過(guò)查看結(jié)果,該電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)合理可行,能夠滿(mǎn)足環(huán)境使用要求。

圖4 溫度分布云圖

參考文獻(xiàn)

[1]余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1999.

[3]劉一兵.電子設(shè)備散熱技術(shù)研究[J].電子工藝技術(shù),2007(5):286-289.

[4]李增辰.ICEPAK軟件三維熱分析及應(yīng)用[R].FLUENT第一屆中國(guó)用戶(hù)大會(huì),2006:208-212.

[5]薛晨暉.大功率密封機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程,2005,21(6):4-7.

摘 要:文章明確了熱設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要性,介紹了電子設(shè)備散熱的若干方法;對(duì)熱分析軟件Icepak的功能特點(diǎn)、應(yīng)用范圍以及仿真步驟進(jìn)行了介紹,并利用Icepak軟件進(jìn)行了實(shí)例仿真。

關(guān)鍵詞:Icepak;熱設(shè)計(jì);熱仿真

1 概述

圖1給出了基于Icepak (實(shí)線)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)(虛線)的兩種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式的比較。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員通過(guò)Pro/E等大型三維CAD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì),建立產(chǎn)品的虛擬樣機(jī),基于Icepak的產(chǎn)品設(shè)計(jì)用在虛擬樣機(jī)上的仿真替代了在物理樣機(jī)上的測(cè)試,這樣能夠減少甚至取消物理樣機(jī)的制造,大幅度地縮短研發(fā)流程,降低研發(fā)費(fèi)用,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。因此特別適合于物理樣機(jī)制造周期長(zhǎng)、費(fèi)用昂貴的復(fù)雜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

圖1 兩種開(kāi)發(fā)模式的比較

2 電子設(shè)備的散熱方法

2.1 傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是由于動(dòng)能從一個(gè)分子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)分子而引起的熱傳遞。傳導(dǎo)可以在固體、液體或氣體中發(fā)生,它是在不透明固體中發(fā)生傳熱的唯一形式。對(duì)于電子設(shè)備,傳導(dǎo)是一種非常重要的傳熱方式。

利用傳導(dǎo)進(jìn)行散熱的方法有:增大接觸面積、選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的材料、縮短熱流通路、提高接觸面的表面質(zhì)量、在接觸面填導(dǎo)熱脂或加導(dǎo)熱墊、接觸壓力均勻等。

2.2 對(duì)流

對(duì)流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對(duì)流分為自由對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流,是電子設(shè)備普遍采用的一種散熱方式。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中提到的風(fēng)冷散熱和水冷散熱都屬于對(duì)流散熱方式。

2.3 輻射

輻射是在真空中進(jìn)行傳熱的唯一方式,它是量子從熱體(輻射體)到冷體(吸收體)的轉(zhuǎn)移。提高輻射散熱的方法有:提高冷體的黑度、增大輻射體與冷體之間的角系數(shù)、增大輻射面積等。

3 Icepak軟件介紹

3.1 功能及特點(diǎn)

Icepak軟件是專(zhuān)業(yè)的、面向工程師的電子產(chǎn)品熱控分析軟件,可以解決各種不同類(lèi)型和尺度的熱流耦合仿真問(wèn)題,在航空和航天電子設(shè)備、通訊、汽車(chē)、電氣、電源設(shè)備、通用電器及家電等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

Icepak具有以下技術(shù)特點(diǎn):(1)建模快速,具有多種模型直接接口、現(xiàn)成的模型庫(kù)、各種形狀的幾何模型。(2)自動(dòng)網(wǎng)格生成,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù),支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網(wǎng)格類(lèi)型。(3)廣泛的模型能力,擁有用戶(hù)模擬過(guò)程所需要的各種物理模型,包括流動(dòng)模型和傳熱模型。(4)解算功能,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)求解器。(5)可視化后置處理。

3.2 仿真分析流程

(1)利用Icepak所提供的基于對(duì)象的模型模塊對(duì)部件級(jí)、板級(jí)或系統(tǒng)級(jí)的問(wèn)題進(jìn)行建模。(2)定義整個(gè)系統(tǒng)的熱計(jì)算區(qū)域。(3)定義各種材質(zhì)的物理特性。(4)定義邊界條件,如熱流密度、導(dǎo)熱率、傳熱系數(shù)、初始溫度等計(jì)算時(shí)所必須的參數(shù)。(5)檢查模型及物體定義,對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,保存生成的網(wǎng)格文件。(6)檢查氣流,在求解之前通過(guò)估算Reynolds和Peclet參數(shù)以確定用層流模式還是湍流模式。(7)通過(guò)Icepak求解器讀取保存的網(wǎng)格文件,設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn),設(shè)定迭代次數(shù),開(kāi)始計(jì)算。(8)查看計(jì)算結(jié)果,利用Icepak的后處理功能來(lái)顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各種參數(shù)曲線(若均收斂,說(shuō)明網(wǎng)格優(yōu)良,計(jì)算結(jié)果可信)、速度向量切面、溫度云圖以及速度、溫度、壓力的最大值等。

4 熱仿真實(shí)例

某電子設(shè)備為航天設(shè)備,應(yīng)用環(huán)境為真空,環(huán)境溫度60℃,機(jī)箱材料為2A12鋁合金,機(jī)箱內(nèi)置9塊電路板,總功率為12.98W,采用的散熱方式為傳導(dǎo)和輻射,具體方法為:(1)機(jī)箱氧化為黑色,以便提高輻射換熱系數(shù);(2)盡可能減少輻射的遮蔽,以提高輻射散熱效果;(3)在機(jī)殼側(cè)面開(kāi)減輕槽,增加其側(cè)表面積,加強(qiáng)輻射散熱;(4)在電路板上設(shè)計(jì)冷板,元器件通過(guò)冷板與電路板電裝在一起,通過(guò)冷板增加散熱面積,將熱量快速傳導(dǎo)至機(jī)箱;(5)元器件底面及側(cè)面加涂導(dǎo)熱膠,使元器件底面和電路板底面可靠的大面積接觸,增強(qiáng)元器件對(duì)電路板的傳導(dǎo)效率。

為了驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的可行性,利用Icepak軟件對(duì)該電子設(shè)備進(jìn)行了熱仿真,三維模型與仿真模型如圖2所示。

圖2 某電子設(shè)備三維模型及仿真模型

模型建立完成,設(shè)置好計(jì)算區(qū)域,并定義好材料特性和邊界條件后,對(duì)該電子設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)模型共劃分559179個(gè)單元網(wǎng)格,367532個(gè)節(jié)點(diǎn)。設(shè)定好監(jiān)測(cè)點(diǎn)和迭代次數(shù),開(kāi)始計(jì)算,收斂曲線和溫度監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。

圖3 熱分析收斂曲線和溫度監(jiān)測(cè)曲線

利用Icepak后處理功能查看計(jì)算結(jié)果,最高溫度出現(xiàn)在機(jī)箱內(nèi)某電源板上,為79.4℃,滿(mǎn)足器件需用溫度范圍,溫度分布云圖如圖4所示。通過(guò)查看結(jié)果,該電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)合理可行,能夠滿(mǎn)足環(huán)境使用要求。

圖4 溫度分布云圖

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