重力仪散热装置的热仿真分析

郭纬川，马 杰，楚 贤，李东明

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

重力仪散热装置的热仿真分析

郭纬川，马 杰，楚 贤，李东明

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

随着移动平台重力测量精度的不断提高，对重力仪的温度控制提出了更高的要求。为了实现在不同温度环境下的高精度重力测量，本文设计了一种保温散热装置，为重力仪提供第一级温控。利用Fluent软件分别模拟了0℃，22℃和40℃环境温度下此装置内重力仪系统的温度场，并在此基础上，利用高低温箱完成该装置的温度性能实验，验证了此温控方案的可行性。

重力仪；温控；Fluent；强制对流

0 引言

重力测量在作业实施时，无论载体是飞机还是车辆，基本上都没有温度调节装置。载体内部温度受海拔高度、太阳辐射的影响很大，特别是无人机环境中，尤为恶劣。重力仪系统所用的惯性器件都对温度极其敏感，在恶劣环境下重力测量精度降低，甚至测试数据无效[1]。由于重力测量的特殊性，每次测量作业特别是航空测量的成本很高，所以研制能在宽温度条件下高精度工作的温控系统迫在眉睫。

本文设计了一种保温散热装置，为重力仪系统提供第一级环境温控，通过有限元仿真分析了此装置在0℃～40℃时的温度场分布，并进行了试验比对。此级温控有效地实现了在0℃～40℃时，重力仪外壳的环境温度保持在相对稳定的值。为产品内部仪表和器件的多级温控提供了良好的温度环境，大大促进了系统温控精度和重力测量精度的提升[2]。

1 传热学概述

传热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律[3]。对于一个封闭的系统（无质量流），即：

式中Q为热量，W为做功，DU为系统的内能，DKE为系统的动能，DPE为系统的势能。对于大多数工程传热问题：DKE=DPE=0若不考虑做功，即W=0，则Q=DU；对于稳态热分析：

即流入系统的热量等于流出的热量。

传热方式主要有三种：热传导、热对流和热辐射。

2 保温散热装置有限元分析

重力仪在低温环境下散热速度太快，需要进行必要的保温措施，降低系统的散热才能够达到稳定的温度状态。然而在高温环境下，散热速度又会太慢，从而引起系统温度升高，影响测量的精度甚至会引起元器件过热。为了解决上述问题，本文设计了一种保温散热装置如图1所示。

图1 保温散热装置Fig.1 The scheme of radiator system

中间的部分为重力仪产品，为了保证产品能够在低温环境下正常工作，在其周围罩上了一层保温材料，减少热量的散失。同时，为了保证产品在高温环境下不至于过热，在保温罩上开有通风孔，通过加强空气的对流来加快系统与外界的换热。

图2 简化模型网格划分Fig.2 The scheme of mesh division

利用Pro/E软件建立了系统的三维简化模型，如图2所示。产品的材料为铝合金，保温罩为隔热材料。产品与保温罩之间为空气。

网格模型采用六面体和四面体的实体混合模型，网格大小控制在5mm左右，网格划分完成后节点数48811，单元数27859，如图2所示[4]。

表1 材料的热力学参数Tab.1 The physical parameters of materials

3 模拟结果分析

在产品上施加与实验环境中相同功率的体热源，设定空气的入口处为速度入口，出口处为压力出口，辐射散热采用DO模型。计算采用分离隐式求解器，基于压力-速度耦合的SIMPLEC算法，对模型质量守恒方程，动量守恒方程（采用K-epsilon湍流模型）和能量守恒方程进行迭代求解，解收敛的标准为各项残差精度均小于10-5，残差曲线趋于平直且产品空气温度趋于恒定为准。

图3 环境温度为0℃时的模型温度分布Fig.3 The temperature distribution as ambient temperature is 0℃

图4 环境温度为22℃时的模型温度分布Fig.4 The temperature distribution as ambient temperature is 22℃

图5 环境温度为40℃时的模型温度分布Fig.5 The temperature distribution as ambient temperature is 40℃

图3为0℃环境温度，空气自然对流环境下重力仪系统的温度场。可以看出，虽然环境温度较低，但是由于保温罩的导热系数很低，隔热效果很好，产品自身发热仍然能够稳定在43℃左右的温度。

在0℃～22℃环境温度下，随着环境温度的升高，产品稳定温度也不断提升，并在10℃左右超过了预设温度，需要开始利用风扇来进行强制对流散热。

图4为22℃环境温度，风扇风速为1.5m/s的强制对流换热环境下重力仪系统的温度场。由图中可知，随着环境温度的升高，由于保温罩的存在，系统的散热变缓，需要加强空气强制对流换热才能够维持在47℃左右。此时的风速还是很低，加大风速，温度会进一步降低。

在22℃～40℃环境温度下，随着环境温度的升高，为了让产品稳定温度保持相对稳定，必须进一步增大风扇风速，加快散热。

图5为40℃环境温度，风扇风速为3m/s的强制对流换热环境下重力仪系统的温度场。产品的温度最终稳定在48℃左右，由于环境温度很高，相同强度的强制对流散热已经不足以使产品的温度维持在相对低的温度了，所以需要继续提高风速。

综合多次不同环境条件下的仿真结果，我们可以得出如下的趋势：保温罩可以有效的隔断热量的散失，在低温条件下能够起到很好的保温作用；在高温条件下通过增大强制对流，可大幅度提高散热效率，维持产品温度平衡。

4 温度试验

利用高低温箱对该装置进行温度试验，试验条件分别为：1） 0℃时自然对流；2） 22℃时风速1.56m/s；3） 40℃时风速3.52m/s。完成这3种条件下，加与不加保温罩的温度试验。表2为仿真模拟结果与试验结果的对比。

表2中的试验结果数据为产品温度的长时间稳定后的平均值，由于产品外壳为最外层温控，受外界环境温度变化的影响较大，同时受到温箱提供环境的温度精度影响，产品外壳温度会存在微小的波动。

可以看出，不加保温装置时，在20℃和40℃时，产品能够保持在相对稳定的温度。但在0℃时，由于散热太快，产品的温度下降了很多。采用本文中设计的保温散热装置后，在0℃～40℃恶劣温度环境下，重力仪的第一级温控都能够达到相对稳定的温度，仿真数据能够与试验数据很好的吻合，表明仿真的边界条件设置与实际相符，验证了此温控装置方案的可行性。在此基础上内部的多级温控就可以更加稳定，有效的保证了重力测量的精度。

表2 仿真模拟结果与试验结果的对比Tab.2 The comparison of simulation and test results

5 结论

为了实现在不同温度环境下高精度的重力测量，本文设计了一种保温散热装置，在重力仪周围增加了一层保温罩，增强了低温环境下的保温效果，同时在保温罩上设置了加强对流散热的通风口，保证了高温环境下的温度稳定。利用Fluent软件，分别模拟了0℃、22℃和40℃环境温度下，此装置内的温度场，仿真分析结果表明通过改变强制对流换热的强度，重力仪的工作环境能够保持在某一相对稳定的温度上。在此基础上，利用高低温箱进行了重力仪保温散热装置的温度性能实验，试验结果与仿真分析结果较为相符，验证了此方案的可行性。

[1]熊盛青，周锡华，郭志宏，周坚鑫.航空重力勘探理论方法及应用[J].北京：地质出版社，2010.12.

[2]李东明，郭刚，薛正兵，王文晶.激光捷联惯导车载重力测量试验[J].导航与控制，2013，12(4):75-78.

[3]姚仲鹏，王瑞君.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006:8-12.

[4]孔祥谦.有限单元法在传热学中的应用(第三版)[M].科学出版社,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。

郭纬川（1989-），男，硕士，主要从事重力仪方面的研究。E-mail:guoweichuan2013@126.com