某地面電子方艙熱設(shè)計

王 聰， 趙幫緒， 李逸凡

（1.中國電子科技集團公司第三十研究所， 四川 成都 610041； 2.陸軍裝備部駐成都地區(qū)第三軍事代表室， 四川 成都 610041）

0 引言

電子方艙作為機動式電子設(shè)備的承載單元， 根據(jù)功能要求，不斷向高集成度的方向發(fā)展。通常電子方艙內(nèi)會集成多個系統(tǒng)，然而艙內(nèi)空間有限，因此熱流密度會越來越高。艙內(nèi)溫度過高會影響電子設(shè)備正常工作，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備的故障率增高[1]。 與此同時，操作人員對于其在艙內(nèi)工作的舒適度要求越來越高， 艙內(nèi)溫度以及設(shè)備噪聲都會影響操作人員的舒適度， 進而會影響操作人員的工作效能。 因此，開展電子方艙的熱設(shè)計時，應(yīng)考慮電子設(shè)備降噪設(shè)計。

針對電子方艙的熱設(shè)計， 研究人員給出了一些解決方案。 文獻[2-4]采用設(shè)備級熱分析軟件ICEPAK 對特定電子方艙的進行建模、仿真計算、優(yōu)化分析；文獻[5]以提升人體熱舒適性為目的，開展電子方艙空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。 但上述文獻的電子方艙內(nèi)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)相對簡單，且未兼顧電子設(shè)備的降噪設(shè)計。 同時，采用ICEPAK 進行系統(tǒng)級電子方艙的熱仿真分析，系統(tǒng)建?；ㄙM時間相對較長。

本文以某地面電子方艙為研究對象， 方艙內(nèi)集成有任務(wù)系統(tǒng)、公用系統(tǒng)以及無人機系統(tǒng)，提供了一種兼顧電子設(shè)備降噪設(shè)計的熱設(shè)計方案，并采用6SigmaRoom 軟件對艙內(nèi)熱環(huán)境仿真，對風(fēng)道設(shè)計及空調(diào)選型進行驗證，從而提高電子方艙設(shè)計效率及準確性。

1 方艙布局及降噪設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的研制要求， 重點考慮電子設(shè)備的降噪設(shè)計，兼顧功能分區(qū)、電氣系統(tǒng)性能、車輛配重、使用便利性、維修便利性、改裝可行性，進行方艙布局設(shè)計。 方艙內(nèi)部布局如圖1 所示。

圖1 方艙內(nèi)部布局圖

方艙的外形尺寸（5000 ×2438 ×2000）mm， 艙內(nèi)劃分為工作艙、設(shè)備艙和無人機艙。 其中，工作艙、設(shè)備艙組成III 級屏蔽艙，工作艙與設(shè)備艙之間通過隔墻門隔開， 在系統(tǒng)工作時， 將隔墻門關(guān)閉，降低設(shè)備噪聲對操作人員的影響。 隔墻門的中間區(qū)域內(nèi)嵌透明有機玻璃， 方便操作人員觀察電子設(shè)備工作狀態(tài)； 同時在隔墻門與門框之間設(shè)置橡膠壓條，能夠有效阻止電子設(shè)備噪音從縫隙傳入工作艙。隔墻門處結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 隔墻門處結(jié)構(gòu)圖

工作艙內(nèi)布置有工作桌、座箱、筆記本、折疊椅、 筆記本電腦等，能夠滿足5 名操作人員同時開展工作。 設(shè)備艙內(nèi)布置有4 組機柜、電子設(shè)備、無人機轉(zhuǎn)軸箱、無人機電源箱等。 無人機艙為非屏蔽艙，其與工作艙、設(shè)備艙獨立，在無人艙內(nèi)布置無人機。

2 方艙熱設(shè)計

2.1 風(fēng)道設(shè)計

方艙系統(tǒng)通常選用軍用空調(diào)設(shè)備對艙內(nèi)的空氣的溫度、濕度和流速等進行控制，使艙內(nèi)環(huán)境滿足系統(tǒng)的工作要求[6]。 在該電子方艙的前壁安裝一臺整體式軍用空調(diào)，對艙內(nèi)的熱環(huán)境進行調(diào)節(jié)和控制。 為了確保空調(diào)發(fā)揮其最大工作效能，需要對艙內(nèi)的風(fēng)道進行合理設(shè)計。

由于無人機不在艙內(nèi)工作，且無人機艙與工作艙、設(shè)備艙獨立。因此，僅需要考慮工作艙、設(shè)備艙的風(fēng)道設(shè)計。結(jié)合方艙布局，風(fēng)道設(shè)計如下：

（1）工作艙內(nèi)頂面與前艙壁、右側(cè)艙壁及隔墻接合處設(shè)置L 形主風(fēng)道，在主風(fēng)道上設(shè)置7 組出風(fēng)口?？照{(diào)冷風(fēng)從空調(diào)出風(fēng)口經(jīng)風(fēng)道送至工作艙內(nèi)頂部，再由出風(fēng)口處的風(fēng)量調(diào)節(jié)器送至工作艙內(nèi)，風(fēng)量大小及方向可手動調(diào)節(jié)。

（2）工作艙右艙壁與隔墻接合處設(shè)置分支風(fēng)道，一端連接主風(fēng)道，另外一端連接設(shè)備艙風(fēng)道，在設(shè)備艙風(fēng)道上設(shè)置5 組出風(fēng)口。 主風(fēng)道內(nèi)的冷風(fēng)穿過隔墻送至設(shè)備艙風(fēng)道，再由出風(fēng)口處的風(fēng)量調(diào)節(jié)器送至設(shè)備艙內(nèi)。

（3）機柜內(nèi)的電子設(shè)備均采用強迫風(fēng)冷散熱，設(shè)備內(nèi)風(fēng)道為前進風(fēng)后出風(fēng)，方艙后艙壁設(shè)置一個電動通風(fēng)孔，系統(tǒng)上電后即工作，將設(shè)備艙內(nèi)的熱量及時抽出。

方艙內(nèi)風(fēng)道設(shè)計如圖3 所示。

圖3 方艙風(fēng)道設(shè)計圖

2.2 熱負荷計算

方艙的熱負荷主要包括艙體內(nèi)外溫差傳熱、太陽輻射熱量、電子設(shè)備的熱功耗，操作人員散熱，新鮮空氣換熱等[7]。

式中：Q熱—方艙的熱負荷；Q1—艙內(nèi)外溫差傳熱；Q2—太陽輻射熱量；Q3—電子設(shè)備熱功耗；Q4—操作人員散熱；Q5—新風(fēng)換熱。

式中：K—傳熱系數(shù)， 取1.5W/（m2×℃）；A—艙體內(nèi)表面積；△T—艙內(nèi)外空氣溫差。 系統(tǒng)要求工作的最高環(huán)境溫度55℃， 艙內(nèi)環(huán)境溫度按26℃（人體舒適溫度） 計算，因此，△T＝29℃。 經(jīng)測算，艙體內(nèi)表面積A≈48.3m2。 將△T、A 代入式（2）中計算Q1≈2101W。

式中：λ—遮陽系數(shù)，取0.65；Κ—傳熱系數(shù)；SS—被照射面積；ES—輻射強度，取1120W/m2；AS—吸收率，取0.8。被照射面積取艙體內(nèi)表面積A 的一半， 即SS＝A/2≈24.15m2，代入式（3）中計算Q2≈992W。

式中：η—電子設(shè)備熱效率，取0.16；Ν—電子設(shè)備最大輸入功率總和。 經(jīng)統(tǒng)計并計算Q3≈1811W。

式中：Ρλ—單個人體散發(fā)的熱量；n—工作人數(shù)。艙內(nèi)環(huán)境溫度為26℃，取人體散發(fā)的熱量Pλ＝125W，系統(tǒng)需5 名操作人員同時工作，代入式（5）中計算Q4＝625W。

式中：Cp—艙外空氣比熱，取1.006 kJ/（kg×℃）；ρ—艙外空氣密度，取1.093kg/m3；V—換氣量；△Τ—艙內(nèi)外空氣溫差。 根據(jù)操作人員需要新鮮空氣，按每人17m3/h 計算，換氣量V＝5×17＝85m3/h，代入式（6）中計算Q5≈876W。

綜上，計算Q熱＝6405W。根據(jù)方艙熱負荷并結(jié)合艙外設(shè)備布局，選用1 臺FKWD-70 整體式軍用方艙空調(diào)，空調(diào)制冷量為7000W，能滿足方艙的制冷需求。

3 仿真計算及分析

本文采用專業(yè)的系統(tǒng)級熱分析軟件6SigmaRoom 對該電子方艙的熱環(huán)境進行模擬分析。 6SigmaRoom 具有豐富多樣的模型庫，包括空調(diào)、機柜、服務(wù)器等專用模型，界面簡單易用，操作便捷，支持三維模型導(dǎo)入，能有效提升仿真計算的效率。

3.1 仿真模型建立

利用三維建模軟件建立電子方艙的簡化模型， 并通過6SigmaRoom 軟件的模型接口導(dǎo)入軟件，建立計算實體并調(diào)整計算域，得到電子方艙的仿真模型如圖4 所示。

圖4 方艙的仿真模型

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在6SigmaRoom 軟件中設(shè)置仿真參數(shù)如下[8]：

（1）艙壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為1.5W/（m·K），表面發(fā)射率為0.92，日光反射比為0.5；（2）風(fēng)道材料的導(dǎo)熱系數(shù)等效設(shè)置為1.3W/（m·K）；

（3）工作桌、座箱、機柜、折疊椅等艙內(nèi)不發(fā)熱器件根據(jù)實際材料情況設(shè)置；

（4）根據(jù)發(fā)熱設(shè)備的實際功耗情況，設(shè)置4 個機柜內(nèi)每個電子設(shè)備的功耗，設(shè)置操作人員的發(fā)熱功耗；

（5）根據(jù)FKWD-70 空調(diào)的技術(shù)參數(shù)，設(shè)置空調(diào)的最大制冷量為7kW，最大流量為1500m3/h，溫度控制點為18℃；

（6）設(shè)置環(huán)境溫度為55℃；

（7）設(shè)置迭代步數(shù)為1000，采用標準KE 方程模型，激活太陽輻射，強度設(shè)置為1120W/m2，網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸為1mm。

3.3 仿真結(jié)果及分析

通過網(wǎng)格生成、仿真計算、后處理得到方艙的溫度場云圖如圖5 所示。

圖5 方艙的溫度場云圖

方艙的熱流場云圖如圖6 所示。

由仿真計算可知，工作艙的環(huán)境溫度小于26℃，依據(jù)《GJB898A—2004 工作艙溫度環(huán)境的通用醫(yī)學(xué)要求與評價》標準，舒適等級要求的溫度范圍為18℃～27℃，因此，艙內(nèi)溫度適宜操作人員工作。 同時，設(shè)備艙內(nèi)環(huán)境最高溫度小于70℃， 局部高功耗設(shè)備溫度在68.5℃， 溫升不超過15℃，設(shè)備可穩(wěn)定工作。 因此，所選型空調(diào)及風(fēng)道設(shè)計能夠滿足操作人員及設(shè)備的工作要求。

4 測試驗證

方艙內(nèi)全部設(shè)備開機工作時， 采用聲級計分別測量隔墻門打開及關(guān)閉時操作位的噪聲值見表1。

表1 隔墻門打開/關(guān)閉操作位的噪聲值

另外，打開空調(diào)并將風(fēng)速調(diào)至高速風(fēng)檔，采用風(fēng)速計測量風(fēng)道出風(fēng)口處的平均風(fēng)速， 并計算風(fēng)量及風(fēng)量分配比例見表2。

測試結(jié)果表明：隔墻門處的降噪設(shè)計對噪聲抑制效果明顯，當隔墻門關(guān)閉后，操作位處的噪聲下降10～12 dB；同時，風(fēng)口1～風(fēng)口7 位于主風(fēng)道的風(fēng)口，送入工作艙的風(fēng)量占空調(diào)總風(fēng)量的73.2%，風(fēng)口8～風(fēng)口12 位于設(shè)備艙的風(fēng)口，送入設(shè)備艙的風(fēng)量占空調(diào)總風(fēng)量的26.8%，測試過程工作艙溫度適宜，設(shè)備運行正常。

5 結(jié)束語

綜上所述， 電子方艙內(nèi)的工作艙與設(shè)備艙采用分離式布局設(shè)計，避免操作人員受設(shè)備噪聲的影響，從而提升工作艙內(nèi)的噪聲舒適性；進而，根據(jù)艙內(nèi)布局設(shè)計空調(diào)風(fēng)道，通過理論計算選型空調(diào)，采用6SigmaRoom 進行仿真分析，最后測試驗證設(shè)計方案合理可行，能夠為同類方艙提供設(shè)計參考。