MODELING OF THERMAL REGIMES OF ELECTRONIC SYSTEMS WITH NATURAL VENTILATION
41
УДК 536.6
Д. А. ДАНИЛОВ, В. И. ЕГОРОВ, С. В. ФАДЕЕВА, А. В. ШАРКОВ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ
Представлены результаты моделирования тепловых и гидродинамических полей в радиоэлектронном аппарате кассетного типа. Сопоставлены результаты расчетов с использованием программы, разработанной на основе метода конечных элементов, и расчетов по программе, реализующей метод поэтапного моделирования. Ключевые слова: радиоэлектронная аппаратура, моделирование, тепловой режим.
Существующая в настоящее время тенденция к типизации и унификации конструкций радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), обусловленная их разнообразием, ведет к автоматизации проектирования устройств и снижению их стоимости. При этом сохраняется необходимость
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
42 Д. А. Данилов, В. И. Егоров, С. В. Фадеева, А. В. Шарков
обеспечения нормального теплового режима РЭА для проведения моделирования тепловых процессов.
В настоящей статье рассматривается герметичный радиоэлектронный аппарат (блок), содержащий модули одного типоразмера. Такие блоки называются кассетными. Обеспечение теплового режима блока осуществляется за счет естественной конвекции. В связи с этим важным аспектом является анализ движения воздуха внутри блока.
Авторами проведено математическое моделирование теплового режима и поля скоростей воздушного потока внутри прибора с помощью пакета программ (П1), разработанных на основе метода конечных элементов. Результаты моделирования сравнивались с программой (П2), реализующей известную методику расчета [1, 2].
Исследуемый кассетный блок состоит из корпуса и модулей, имеющих лицевые панели и разъемы для присоединения кросс-платы. В блоке имеются воздушные каналы: между соседними модулями, между кросс-платой и задней крышкой корпуса (кабельный канал), между модулями и корпусом — боковые, верхний, нижний. Блок кассетного типа имеет два вида конструктивного исполнения: с передней крышкой корпуса (рис. 1) и без передней крышки.
Модули
Лицевые панели модулей
Передняя крышка блока
Корпус
Разъемы
Кабельный канал
Кросс-плата Рис. 1
Геометрические параметры исследуемого блока приведены в таблице.
Элемент блока
Корпус Модуль Кросс-плата
Высота h, м
0,3 0,26 0,26—0,3
Ширина s (толщина), м
0,47 0,01 0,47
Глубина d (толщина), м
0,3 0,28 0,002
Воздушные каналы блока имеют следующую ширину: боковые — 0,018 м, верхний и
нижний — 0,0175 м, кабельный — 0,013 м, между модулями — 0,015 м.
Температура окружающей воздушной среды Тср = 40 ºС. Мощность тепловыделений каждого модуля (Pi) одинакова и составляет 8 Вт. Количество модулей (N) 15. Степень черноты всех поверхностей 0,9.
При моделировании тепловой модели приняты следующие допущения:
— все модули представляют собой пластины определенной толщины с вертикальной
лицевой панелью и равномерно распределенными по объему источниками теплоты;
— температура модуля (Тi) соответствует его среднеповерхностной температуре; — температурное поле металлического корпуса прибора равномерное;
— кондуктивные тепловые связи модулей с корпусом блока не учитываются.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
Моделирование тепловых режимов электронных систем
43
В работах [1, 2] и соответственно в программе П2 принято допущение о том, что воздух движется в вертикальном направлении по каналам между модулями, по каналам между крайними модулями и боковыми стенками корпуса [3], а в горизонтальном направлении — между зоной модулей и верхней и нижней стенками корпуса. При этом не учитывается конвективный теплообмен в кабельном канале и в канале между передней крышкой корпуса и лицевыми панелями модулей.
В результате расчета по программам П1 и П2 выявлен перегрев модулей относительно температуры окружающей среды и получены значения поля скоростей воздушного потока и расхода воздуха в каналах.
На рис. 2 графически показано распределение температуры нагрева модулей (∆Тi) относительно температуры Тср при Pi = 8 Вт для блока с передней крышкой (рис. 2, а) и без нее (рис. 2, б): кривая 1 соответствует расчету по программе П2, а кривые 2 и 3 отражают результаты моделирования (программа П1) соответственно при открытом и закрытом кабельном канале
(при ширине канала между модулями 15 мм). Значения ∆Тi, П2 (рассчитанные по программе П2) мало различаются для блока с передней крышкой и без нее. При этом ∆Тi, П1 > ∆Тi, П2 = 17 % для блока без крышки и ∆Тi, П1 < ∆Тi, П2 = 5 % для блока с передней крышкой; наличие крышки увеличивает перегрев модулей (по программе П1 — на 20 %). Массовый расход воздуха в каналах между модулями (для обоих конструктивов) остается на уровне 0,0001 кг/с (по программе П2) и на уровне 0,0002 кг/с (по программе П1).
а) Ti – Tср, °С
45
40 35 30 25 20
0246 б) Ti – Tср, °С
40
35
30
3 1
2
8 10 12 14 N
1 3
25
2
20
0246
8 10 12 14 N
Рис. 2
При моделировании блока без передней крышки выявлено, что в каналах между моду-
лями в зоне, прилегающей к их лицевым панелям, движение воздуха направлено вниз. При
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
44 Д. А. Данилов, В. И. Егоров, С. В. Фадеева, А. В. Шарков этом образуется область циркуляции воздуха, которая захватывает в среднем 30 % площади модуля (рис. 3).
Для вычисления средних значений массовых расходов воздуха в каналах была проведена серия расчетов при следующих диапазонах изменения параметров: мощность тепловыделений модуля — от 4 до 16 Вт; ширина кабельного канала — от 0 до 0,03 м; ширина верхнего канала — от 0,01 до 0,07 м; ширина нижнего канала — от 0,01 до 0,04 м. Расход воздуха, поступающегося снизу в канал между модулям, распределяется следующим образом: 30 % поступает сверху в кабельный канал, 70 % — в направлении соседних каналов.
Центральный модуль
Лицевая панель модуля
Рис. 3
Было также проанализировано влияние ширины канала между модулями на величину перегрева центрального модуля при неизменной мощности всего блока. Моделирование показало, что с увеличением расстояния между модулями изменяется характер пространственного распределения скорости воздуха в каналах, в частности увеличивается область циркуляции.
В блоке с передней крышкой при закрытом кабельном канале выявляются две области циркуляции в канале между модулями: в одном случае воздух циркулирует в зоне лицевой панели модуля, в другом — в зоне кросс-платы. Результаты расчета перегрева модулей по существующей методике [1] являются заниженными на 5 % для блоков с передней крышкой и завышенными на 20 % для блоков без передней крышки, что обусловлено принятыми допущениями при расчете параметров движения воздуха в каналах РЭА.
В заключение отметим, что учет особенностей движения воздуха в каналах радиоэлектронного аппарата позволяет повысить точность расчетов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дульнев Г. Н., Парфенов В. Г., Сигалов А. В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. 2. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в РЭА. М.: Высш. школа, 1984. 3. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
Экспериментальное исследование динамики теплообмена через ограждающую конструкцию 45
Даниил Александрович Данилов Владимир Иванович Егоров
Светлана Викторовна Фадеева Александр Васильевич Шарков
Сведения об авторах — ФГУП „Аврора“, Санкт-Петербург; инженер — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный уни-
верситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: KTF@grv.ifmo.ru — студентка; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: ktf@grv.ifmo.ru
Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 07.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
УДК 536.6
Д. А. ДАНИЛОВ, В. И. ЕГОРОВ, С. В. ФАДЕЕВА, А. В. ШАРКОВ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ
Представлены результаты моделирования тепловых и гидродинамических полей в радиоэлектронном аппарате кассетного типа. Сопоставлены результаты расчетов с использованием программы, разработанной на основе метода конечных элементов, и расчетов по программе, реализующей метод поэтапного моделирования. Ключевые слова: радиоэлектронная аппаратура, моделирование, тепловой режим.
Существующая в настоящее время тенденция к типизации и унификации конструкций радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), обусловленная их разнообразием, ведет к автоматизации проектирования устройств и снижению их стоимости. При этом сохраняется необходимость
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
42 Д. А. Данилов, В. И. Егоров, С. В. Фадеева, А. В. Шарков
обеспечения нормального теплового режима РЭА для проведения моделирования тепловых процессов.
В настоящей статье рассматривается герметичный радиоэлектронный аппарат (блок), содержащий модули одного типоразмера. Такие блоки называются кассетными. Обеспечение теплового режима блока осуществляется за счет естественной конвекции. В связи с этим важным аспектом является анализ движения воздуха внутри блока.
Авторами проведено математическое моделирование теплового режима и поля скоростей воздушного потока внутри прибора с помощью пакета программ (П1), разработанных на основе метода конечных элементов. Результаты моделирования сравнивались с программой (П2), реализующей известную методику расчета [1, 2].
Исследуемый кассетный блок состоит из корпуса и модулей, имеющих лицевые панели и разъемы для присоединения кросс-платы. В блоке имеются воздушные каналы: между соседними модулями, между кросс-платой и задней крышкой корпуса (кабельный канал), между модулями и корпусом — боковые, верхний, нижний. Блок кассетного типа имеет два вида конструктивного исполнения: с передней крышкой корпуса (рис. 1) и без передней крышки.
Модули
Лицевые панели модулей
Передняя крышка блока
Корпус
Разъемы
Кабельный канал
Кросс-плата Рис. 1
Геометрические параметры исследуемого блока приведены в таблице.
Элемент блока
Корпус Модуль Кросс-плата
Высота h, м
0,3 0,26 0,26—0,3
Ширина s (толщина), м
0,47 0,01 0,47
Глубина d (толщина), м
0,3 0,28 0,002
Воздушные каналы блока имеют следующую ширину: боковые — 0,018 м, верхний и
нижний — 0,0175 м, кабельный — 0,013 м, между модулями — 0,015 м.
Температура окружающей воздушной среды Тср = 40 ºС. Мощность тепловыделений каждого модуля (Pi) одинакова и составляет 8 Вт. Количество модулей (N) 15. Степень черноты всех поверхностей 0,9.
При моделировании тепловой модели приняты следующие допущения:
— все модули представляют собой пластины определенной толщины с вертикальной
лицевой панелью и равномерно распределенными по объему источниками теплоты;
— температура модуля (Тi) соответствует его среднеповерхностной температуре; — температурное поле металлического корпуса прибора равномерное;
— кондуктивные тепловые связи модулей с корпусом блока не учитываются.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
Моделирование тепловых режимов электронных систем
43
В работах [1, 2] и соответственно в программе П2 принято допущение о том, что воздух движется в вертикальном направлении по каналам между модулями, по каналам между крайними модулями и боковыми стенками корпуса [3], а в горизонтальном направлении — между зоной модулей и верхней и нижней стенками корпуса. При этом не учитывается конвективный теплообмен в кабельном канале и в канале между передней крышкой корпуса и лицевыми панелями модулей.
В результате расчета по программам П1 и П2 выявлен перегрев модулей относительно температуры окружающей среды и получены значения поля скоростей воздушного потока и расхода воздуха в каналах.
На рис. 2 графически показано распределение температуры нагрева модулей (∆Тi) относительно температуры Тср при Pi = 8 Вт для блока с передней крышкой (рис. 2, а) и без нее (рис. 2, б): кривая 1 соответствует расчету по программе П2, а кривые 2 и 3 отражают результаты моделирования (программа П1) соответственно при открытом и закрытом кабельном канале
(при ширине канала между модулями 15 мм). Значения ∆Тi, П2 (рассчитанные по программе П2) мало различаются для блока с передней крышкой и без нее. При этом ∆Тi, П1 > ∆Тi, П2 = 17 % для блока без крышки и ∆Тi, П1 < ∆Тi, П2 = 5 % для блока с передней крышкой; наличие крышки увеличивает перегрев модулей (по программе П1 — на 20 %). Массовый расход воздуха в каналах между модулями (для обоих конструктивов) остается на уровне 0,0001 кг/с (по программе П2) и на уровне 0,0002 кг/с (по программе П1).
а) Ti – Tср, °С
45
40 35 30 25 20
0246 б) Ti – Tср, °С
40
35
30
3 1
2
8 10 12 14 N
1 3
25
2
20
0246
8 10 12 14 N
Рис. 2
При моделировании блока без передней крышки выявлено, что в каналах между моду-
лями в зоне, прилегающей к их лицевым панелям, движение воздуха направлено вниз. При
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
44 Д. А. Данилов, В. И. Егоров, С. В. Фадеева, А. В. Шарков этом образуется область циркуляции воздуха, которая захватывает в среднем 30 % площади модуля (рис. 3).
Для вычисления средних значений массовых расходов воздуха в каналах была проведена серия расчетов при следующих диапазонах изменения параметров: мощность тепловыделений модуля — от 4 до 16 Вт; ширина кабельного канала — от 0 до 0,03 м; ширина верхнего канала — от 0,01 до 0,07 м; ширина нижнего канала — от 0,01 до 0,04 м. Расход воздуха, поступающегося снизу в канал между модулям, распределяется следующим образом: 30 % поступает сверху в кабельный канал, 70 % — в направлении соседних каналов.
Центральный модуль
Лицевая панель модуля
Рис. 3
Было также проанализировано влияние ширины канала между модулями на величину перегрева центрального модуля при неизменной мощности всего блока. Моделирование показало, что с увеличением расстояния между модулями изменяется характер пространственного распределения скорости воздуха в каналах, в частности увеличивается область циркуляции.
В блоке с передней крышкой при закрытом кабельном канале выявляются две области циркуляции в канале между модулями: в одном случае воздух циркулирует в зоне лицевой панели модуля, в другом — в зоне кросс-платы. Результаты расчета перегрева модулей по существующей методике [1] являются заниженными на 5 % для блоков с передней крышкой и завышенными на 20 % для блоков без передней крышки, что обусловлено принятыми допущениями при расчете параметров движения воздуха в каналах РЭА.
В заключение отметим, что учет особенностей движения воздуха в каналах радиоэлектронного аппарата позволяет повысить точность расчетов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дульнев Г. Н., Парфенов В. Г., Сигалов А. В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. 2. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в РЭА. М.: Высш. школа, 1984. 3. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
Экспериментальное исследование динамики теплообмена через ограждающую конструкцию 45
Даниил Александрович Данилов Владимир Иванович Егоров
Светлана Викторовна Фадеева Александр Васильевич Шарков
Сведения об авторах — ФГУП „Аврора“, Санкт-Петербург; инженер — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный уни-
верситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: KTF@grv.ifmo.ru — студентка; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: ktf@grv.ifmo.ru
Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 07.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4