低空預警探測方艙車溫控性能分析

安徽四創電子股份有限公司　彭五四　黃海元

?

低空預警探測方艙車溫控性能分析

安徽四創電子股份有限公司彭五四黃海元

【摘要】運用數值方法計算方艙內的熱負荷和冷負荷來選定空調器，從而使方艙內工作人員和設備處于舒適的狀態。分析方艙傳熱模型，采用有限元技術分析方艙在太陽輻射熱量、艙外壁對流換熱量和空調狀態下艙內壁對流換熱量作用下穩態溫度場分布情況，從而驗證數值計算結果的正確性。計算空調出現故障時，為了不影響設備的工作的可靠性和穩定性，分析出合理的空調維修時間。

【關鍵詞】數值計算；熱負荷；傳熱模型；溫度場；維修時間

1　引言

隨著國家逐步開放民航低空領域，各地區將面臨低空領域安全管理的壓力和挑戰，開放低空領域將會帶動低空預警探測領域的新發展[1]。早期低空預警探測設備通常采用定點安裝模式，監控范圍受到了嚴重的限制。以汽車為載體的輪式運載平臺將成為現在以及將來低空預警設備的主要運輸形式。輪式運載平臺上加裝方艙，然后將各種設備、設施布置在方艙外部和內部。車載方艙具有良好的機動性能、快速的反應能力、一定的應對戰場威脅防護能力、以及適宜于操作人員和電子設備的工作環境，因此低空預警探測設備方艙機動化設計已經成為發展趨勢。

探測雷達、舉升機構、空調器、光電、衛星通訊等設備均布置在方艙上。電子設備對環境溫度均有一定要求，溫度過高或過低都會降低設備的穩定性，影響工作的進行，所以方艙溫控性能的優劣對整車的性能具有重要的影響。劉曉紅，楊金志，章玉太[3]等人采用Icepak軟件對雷達方艙內部環境進行熱力學分析，驗證了在現有方艙布局設計下，空調器能夠滿足操作人員和電子設備的舒適度要求。謝有池[4]對移動指揮通信方艙溫控系統進行了分析研究，提高了方艙舒適度，改善了艙內工作環境，保證了艙內工作溫度。

本文主要是通過數值計算的方法選定合適的空調器，使方艙內工作人員和設備在舒適的工作環境中工作。最后通過有限元分析的方法，分析出方艙的溫度場分布情況，并為空調器出現故障時尋求合理的維修時間。

2　方艙溫控系統數值計算

2.1 艙內熱負荷計算

在環境溫度為40°C時，方艙內部溫度應能在40min內將至30°C以內。方艙內熱負荷主要包括太陽輻射傳熱量、艙內外溫差傳熱量、電子設備散熱量、人體散熱量、照明設備散熱量和艙內空氣的放熱量。

(1)太陽輻射傳熱量Q1

式中：

E—太陽輻射強度，一般取值804.5W/m2；

A—方艙對太陽的吸收率，一般取值0.45。

(2)艙內外溫差傳熱量Q2

式中：

(3)電子設備散熱量Q3

式中：

N—設備總功率，取最大值2000W；

n1—安裝系數，一般取值0.85；

n2—負荷系數，一般取值0.8；

n3—同時使用系數，一般取值0.8；

n4—蓄熱系數，一般取值0.6。

(4)人體散熱量Q4

式中：

n—操作人員數量；

q—單個人的散熱量，一般取值60w。

(5)照明設備散熱量Q5

式中：

N1—熒光燈的功率；

N2—鎮流器消耗功率，一般取值為熒光燈功率的20%。

(6)艙內空氣放熱量Q6

式中：

V—方艙的體積；

r—30°C時空氣密度；

i0—降溫前方艙內空氣的熱焓值；

i1—降溫后方艙內空氣的熱焓值；

Zt—溫度調節時間。

綜上可知艙內熱負荷Q熱

2.2艙內冷負荷計算

在環境溫度為-30℃時，方艙內部溫度應能在60min內升至0℃以上。方艙內冷負荷包括艙內外溫差傳熱量和艙內空氣的吸熱量。

(1)艙內外溫差傳熱量P1

式中：

(2)艙內空氣的吸熱量P2

式中：

V—方艙的體積；

r—空氣比重，取值為1.14Kg/m3；

Zt—溫度調節時間。

綜上可知艙內冷負荷P冷：

選用空調器的性能參數如表1所示。

由表1知制冷量大于方艙內熱負荷量，制熱量大于方艙內冷負荷量，故選用的空調器滿足溫度性能要求。

表1　性能參數

3　方艙溫度場有限元分析

3.1方艙傳熱模型

方艙在一定的溫度載荷下工作時，其熱傳遞主要包括方艙外側、方艙、方艙內側三個系統的熱傳遞。方艙外側系統熱傳遞主要包括太陽輻射熱量、外壁與空氣對流換熱、外壁向周圍空間輻射熱量、外壁周圍介質向方艙輻射熱量；方艙系統熱傳遞主要指方艙的熱傳導；方艙內側系統熱傳遞主要包括內部輻射換熱、內壁與空氣對流換熱[7-8]。方艙熱傳遞模型如圖1所示。

圖1　方艙熱傳遞模型

由圖1可知，方艙艙體存在著諸多的熱傳遞方式，這些形式的能量傳遞共同決定了方艙艙體的溫度分布。在實際工作環境中，方艙頂板受熱載荷最為惡劣，以方艙頂板為例對方艙傳熱特性進行分析研究。

3.2頂板有限元模型

在對方艙頂板進行傳熱分析時，要考慮復合大板中蒙皮和聚氨酯泡沫的傳熱性能，所以熱分析時，對方艙頂板建模不能采用復合大板的等效方法。對方艙頂板進行熱分析計算時，取頂板含有方管鋁骨架的一塊大板進行分析，長150mm，寬6mm，厚53mm，幾何模型如圖2所示。

圖2　方艙頂板幾何模型

在workbench中對模型進行網格劃分，共有319392個單元，1378316個節點。

在傳熱分析時，只要保證外蒙皮、木板、聚氨酯泡沫、方管鋁、內蒙皮相對應部分的網格連續性即可，不用設置接觸類型，這樣各部分之間就可以進行熱傳導換熱。

相關材料的物料參數如表2所示。

表2　材料的物理參數

3.3熱分析載荷及邊界條件

在夏季高溫時，方艙艙體受太陽輻射，方艙頂板外蒙皮鋁板溫度會大幅度升高，甚至可達100攝氏度以上。高溫以及日照惡劣的工作環境下，方艙艙體承載熱載荷的能力有待考驗，同時這也是對方艙艙體性能的一個校驗。對圖1所示的方艙熱傳遞模型進行分析，其熱載荷和邊界條件為：

(1)太陽輻射熱量Q1

在進行熱分析計算時，通常將太陽輻射熱量等效為熱流密度載荷進行處理。某地區8月27日的太陽輻射強度的測量值如表3a、3b、3c所示。

表3a　太陽輻射強度測量值

表3b　太陽輻射強度測量值

表3c　太陽輻射強度測量值

太陽輻射的能量是以波長的形式進行傳遞的，不同的顏色吸收波長的能力不同。低空預警探測方艙車的頂板為白色，而白色對太陽輻射吸收系數為0.26~0.45，熱分析計算時吸收系數取最大值0.45。取表3.2中11:30時的太陽輻射強度進行分析，可以求得此時方艙頂板吸收的太陽輻射強度值為362W/m2。

(2)艙外壁對流換熱量Q2

艙外壁的對流換熱屬于自然對流換熱。在進行熱分析計算時，對流換熱量以對流換熱系數的形式進行加載。在夏季高溫及環境惡劣的條件下，方艙大板外側蒙皮溫度變化范圍為40~110℃。由于方艙壁板的溫度在較大范圍內變化不大，此溫度范圍的對流換熱系數一般取值為6.73~7.13W/(m2?℃)。方艙頂板溫度相對較高，在對頂板加載時，取對流換熱系數為7.13W/(m2?℃)。

(3)空調狀態下艙內壁對流換熱量Q3

在空調狀態下，艙內壁對流換熱屬于強迫對流換熱。在進行熱分析計算時，對流換熱量以對流換熱系數的形式進行加載，一般取值為16.7W/(m2?℃)。

(4)其它傳熱量

由方艙熱傳遞模型可知，其它傳熱量主要包括內部輻射換熱量、外壁向周圍空間輻射熱量和外壁周圍介質向方艙輻射熱量。這三種輻射傳熱量相對于前面三種熱量，數值較小，為了簡化問題，在熱分析計算時忽略不計。

方艙大板外側蒙皮溫度變化范圍為40~110℃，熱分析時，方艙頂板外部環境溫度取50℃。方艙內部有空調作用，熱分析時，方艙頂板內部環境溫度取23℃。方艙熱載荷及邊界條件加載如圖3所示。

圖3　方艙熱載荷及邊界條件

4　分析結果與評價

方艙頂板傳熱分析的結果是溫度場，穩態傳熱結果如圖4所示。

圖4　方艙頂板溫度場

由方艙頂板溫度場分布可得以下結論：

(1)方艙頂板在太陽輻射的作用下，艙體外蒙皮溫度遠高于內蒙皮溫度。

(2)艙體外蒙皮為高溫區，溫度范圍是85.844~86.161℃；艙體內蒙皮為低溫區，溫度范圍是29.135~29.472℃。由圖4.1可知，方艙頂板最高溫度出現在遠離方管鋁骨架位置，方艙頂板最低溫度出現也出現在遠離方管鋁骨架的位置，符合實際情況。

(3)溫度場沿x方向層狀分布，在方管鋁骨架位置溫度場變化梯度較大。

若方艙內部的空調出現故障時，考慮10min、20min、30min時，方艙頂板的溫度場分布問題。方艙內壁對流換熱載荷忽略不計，三個時刻的溫度場分布如圖5(a)、5(b)、5(c)所示。

圖5(a) 10min時方艙頂板溫度場

圖5(b) 20min時方艙頂板溫度場

圖5(c) 30min時方艙頂板溫度場

由以上三個時刻的方艙頂板溫度場分布可得以下結論：

(1)艙體外蒙皮溫度不斷上升，10min時為86.372℃，20min時為86.959℃，30min時為87.716℃；艙體內蒙皮溫度也不斷上升，10min時為35.14℃，20min時為39.992℃，30min時為44.383℃。

(2)艙體內外蒙皮溫度都不斷上升，但是內蒙皮溫度場變化更大，溫度上升更快，符合實際情況。

(3)10min時，內蒙皮溫度為35.14℃，艙內溫度大約為32℃左右，屬于設備設施可以承受范圍；20min時，內蒙皮溫度為39.992℃，艙內溫度大約為37℃左右，溫度偏高，可能會影響到設備工作的可靠性。所以當空調出現故障時，維修空調的時間應在20min以內。

參考文獻

[1]程桂霞.新時期的人民防空建設與城市建設[J].人民防空,2009,3(28):81-84.

[2]劉曉紅,楊金志,章玉太,夏力農.某雷達方艙的熱環境仿真分析[J].電子機械工程,2012,28(4)：8-12.

[3] 謝有池.移動指揮通信方艙溫控系統性能的計算[J].科技與創新,2014(5):21-22.

[4] 江紅.軍用通信方艙的取暖和制熱設備選擇[J].指揮信息系統與技術,2011,2(4):76-79.

[5] K.S.Surana.R.K.Philips.Three Dimensional Curved Shell Finite Element for Heat Conduction.Com puters&Structures,1987,25(5):775-785.

[6] 黃俊.熱載荷作用下方艙艙體脫層質量問題研究[D].湖北:華中科技大學,2008.

[7] 林媛.太陽輻射強度模型的建立及驗證[J].安徽建筑工業學院學報,2007,15(5):44-46.

The temperature control performance analysis of Low Altitude Warning Shelter Car

PENG Wu-si,Huang Hai-yuan
(Anhui Sun-Create Electronics Co., Ltd, Hefei 230088, China）

Abstract：Though numerical methods calculate shelter heat and cooling loads, select suitable air conditioner models. Suitable air conditioner can make staff and a variety of equipment in a comfortable working environment. Analytical shelter heat transfer model, using finite element analysis shelter’s distribution of temperature field under load of solar radiation, heat convection heat transfer and shelter wall convective heat transfer under the condition of air conditioning. When calculating the air conditioning fails, in order not to affect the reliability and stability of the equipment work, analyze a reasonable air conditioning maintenance time.

Key words：Numerical computation; Thermal load; Heat transfer model; Temperature field; Repair time