重力儀散熱裝置的熱仿真分析

郭緯川，馬 杰，楚 賢，李東明

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

重力儀散熱裝置的熱仿真分析

郭緯川，馬 杰，楚 賢，李東明

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

隨著移動平臺重力測量精度的不斷提高，對重力儀的溫度控制提出了更高的要求。為了實現在不同溫度環境下的高精度重力測量，本文設計了一種保溫散熱裝置，為重力儀提供第一級溫控。利用Fluent軟件分別模擬了0℃，22℃和40℃環境溫度下此裝置內重力儀系統的溫度場，并在此基礎上，利用高低溫箱完成該裝置的溫度性能實驗，驗證了此溫控方案的可行性。

重力儀；溫控；Fluent；強制對流

0 引言

重力測量在作業實施時，無論載體是飛機還是車輛，基本上都沒有溫度調節裝置。載體內部溫度受海拔高度、太陽輻射的影響很大，特別是無人機環境中，尤為惡劣。重力儀系統所用的慣性器件都對溫度極其敏感，在惡劣環境下重力測量精度降低，甚至測試數據無效[1]。由于重力測量的特殊性，每次測量作業特別是航空測量的成本很高，所以研制能在寬溫度條件下高精度工作的溫控系統迫在眉睫。

本文設計了一種保溫散熱裝置，為重力儀系統提供第一級環境溫控，通過有限元仿真分析了此裝置在0℃～40℃時的溫度場分布，并進行了試驗比對。此級溫控有效地實現了在0℃～40℃時，重力儀外殼的環境溫度保持在相對穩定的值。為產品內部儀表和器件的多級溫控提供了良好的溫度環境，大大促進了系統溫控精度和重力測量精度的提升[2]。

1 傳熱學概述

傳熱分析遵循熱力學第一定律，即能量守恒定律[3]。對于一個封閉的系統（無質量流），即：

式中Q為熱量，W為做功，DU為系統的內能，DKE為系統的動能，DPE為系統的勢能。對于大多數工程傳熱問題：DKE=DPE=0若不考慮做功，即W=0，則Q=DU；對于穩態熱分析：

即流入系統的熱量等于流出的熱量。

傳熱方式主要有三種：熱傳導、熱對流和熱輻射。

2 保溫散熱裝置有限元分析

重力儀在低溫環境下散熱速度太快，需要進行必要的保溫措施，降低系統的散熱才能夠達到穩定的溫度狀態。然而在高溫環境下，散熱速度又會太慢，從而引起系統溫度升高，影響測量的精度甚至會引起元器件過熱。為了解決上述問題，本文設計了一種保溫散熱裝置如圖1所示。

圖1 保溫散熱裝置Fig.1 The scheme of radiator system

中間的部分為重力儀產品，為了保證產品能夠在低溫環境下正常工作，在其周圍罩上了一層保溫材料，減少熱量的散失。同時，為了保證產品在高溫環境下不至于過熱，在保溫罩上開有通風孔，通過加強空氣的對流來加快系統與外界的換熱。

圖2 簡化模型網格劃分Fig.2 The scheme of mesh division

利用Pro/E軟件建立了系統的三維簡化模型，如圖2所示。產品的材料為鋁合金，保溫罩為隔熱材料。產品與保溫罩之間為空氣。

網格模型采用六面體和四面體的實體混合模型，網格大小控制在5mm左右，網格劃分完成后節點數48811，單元數27859，如圖2所示[4]。

表1 材料的熱力學參數Tab.1 The physical parameters of materials

3 模擬結果分析

在產品上施加與實驗環境中相同功率的體熱源，設定空氣的入口處為速度入口，出口處為壓力出口，輻射散熱采用DO模型。計算采用分離隱式求解器，基于壓力-速度耦合的SIMPLEC算法，對模型質量守恒方程，動量守恒方程（采用K-epsilon湍流模型）和能量守恒方程進行迭代求解，解收斂的標準為各項殘差精度均小于10-5，殘差曲線趨于平直且產品空氣溫度趨于恒定為準。

圖3 環境溫度為0℃時的模型溫度分布Fig.3 The temperature distribution as ambient temperature is 0℃

圖4 環境溫度為22℃時的模型溫度分布Fig.4 The temperature distribution as ambient temperature is 22℃

圖5 環境溫度為40℃時的模型溫度分布Fig.5 The temperature distribution as ambient temperature is 40℃

圖3為0℃環境溫度，空氣自然對流環境下重力儀系統的溫度場?？梢钥闯觯m然環境溫度較低，但是由于保溫罩的導熱系數很低，隔熱效果很好，產品自身發熱仍然能夠穩定在43℃左右的溫度。

在0℃～22℃環境溫度下，隨著環境溫度的升高，產品穩定溫度也不斷提升，并在10℃左右超過了預設溫度，需要開始利用風扇來進行強制對流散熱。

圖4為22℃環境溫度，風扇風速為1.5m/s的強制對流換熱環境下重力儀系統的溫度場。由圖中可知，隨著環境溫度的升高，由于保溫罩的存在，系統的散熱變緩，需要加強空氣強制對流換熱才能夠維持在47℃左右。此時的風速還是很低，加大風速，溫度會進一步降低。

在22℃～40℃環境溫度下，隨著環境溫度的升高，為了讓產品穩定溫度保持相對穩定，必須進一步增大風扇風速，加快散熱。

圖5為40℃環境溫度，風扇風速為3m/s的強制對流換熱環境下重力儀系統的溫度場。產品的溫度最終穩定在48℃左右，由于環境溫度很高，相同強度的強制對流散熱已經不足以使產品的溫度維持在相對低的溫度了，所以需要繼續提高風速。

綜合多次不同環境條件下的仿真結果，我們可以得出如下的趨勢：保溫罩可以有效的隔斷熱量的散失，在低溫條件下能夠起到很好的保溫作用；在高溫條件下通過增大強制對流，可大幅度提高散熱效率，維持產品溫度平衡。

4 溫度試驗

利用高低溫箱對該裝置進行溫度試驗，試驗條件分別為：1） 0℃時自然對流；2） 22℃時風速1.56m/s；3） 40℃時風速3.52m/s。完成這3種條件下，加與不加保溫罩的溫度試驗。表2為仿真模擬結果與試驗結果的對比。

表2中的試驗結果數據為產品溫度的長時間穩定后的平均值，由于產品外殼為最外層溫控，受外界環境溫度變化的影響較大，同時受到溫箱提供環境的溫度精度影響，產品外殼溫度會存在微小的波動。

可以看出，不加保溫裝置時，在20℃和40℃時，產品能夠保持在相對穩定的溫度。但在0℃時，由于散熱太快，產品的溫度下降了很多。采用本文中設計的保溫散熱裝置后，在0℃～40℃惡劣溫度環境下，重力儀的第一級溫控都能夠達到相對穩定的溫度，仿真數據能夠與試驗數據很好的吻合，表明仿真的邊界條件設置與實際相符，驗證了此溫控裝置方案的可行性。在此基礎上內部的多級溫控就可以更加穩定，有效的保證了重力測量的精度。

表2 仿真模擬結果與試驗結果的對比Tab.2 The comparison of simulation and test results

5 結論

為了實現在不同溫度環境下高精度的重力測量，本文設計了一種保溫散熱裝置，在重力儀周圍增加了一層保溫罩，增強了低溫環境下的保溫效果，同時在保溫罩上設置了加強對流散熱的通風口，保證了高溫環境下的溫度穩定。利用Fluent軟件，分別模擬了0℃、22℃和40℃環境溫度下，此裝置內的溫度場，仿真分析結果表明通過改變強制對流換熱的強度，重力儀的工作環境能夠保持在某一相對穩定的溫度上。在此基礎上，利用高低溫箱進行了重力儀保溫散熱裝置的溫度性能實驗，試驗結果與仿真分析結果較為相符，驗證了此方案的可行性。

[1]熊盛青，周錫華，郭志宏，周堅鑫.航空重力勘探理論方法及應用[J].北京：地質出版社，2010.12.

[2]李東明，郭剛，薛正兵，王文晶.激光捷聯慣導車載重力測量試驗[J].導航與控制，2013，12(4):75-78.

[3]姚仲鵬，王瑞君.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006:8-12.

[4]孔祥謙.有限單元法在傳熱學中的應用(第三版)[M].科學出版社,1998.

Thermal SimulationAnalysis of the Radiator of Gravimeter

GUO Wei-chuan,MAJie,CHU Xian,LI Dong-ming
(Beijing Institute ofAerospace Control Devices,Beijing 100039,China)

With continuous improvement of the movable platform gravimeter measurement accuracy,it becomes more and more important to control the temperature of the gravimeter.In order to realize the high gravity measurement precision in different ambient temperatures,a new thermal insulation and heat radiating device is described in this paper.Temperature distributions of the gravimeter is simulated using ansys software and measured in the experiment.The results show good adaptability and verify the feasibility of the device.

Gravimeter;Temperature control;Fluent;Forced convection

U666.1

A

2095-8110（2015）02-0063-04

2014-12-12；

2014-01-04。

郭緯川（1989-），男，碩士，主要從事重力儀方面的研究。E-mail:guoweichuan2013@126.com