基于 Flotherm 的南极天文科考支撑平台的.doc

精品论文基于 Flotherm 的南极天文科考支撑平台的热分析与仿真朱彦，沈炯，刘西陲5（东南大学能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京 210096） 摘要：为南极冰穹 A（Dome Argus）天文观测站科考作支撑，2011 年 1 月 8 日我国自主研 制的第一代南极天文科考支撑平台顺利投入运行，为该观测站提供独立的电源、室内环境、 数据自动采集与无线传输等多项功能，成功克服了冰穹 A 极寒、低气压、缺氧等恶劣环境， 为我国在南极地区开展自动天文观测和其他科学研究提供了保障。由于第一代能源控制支撑10系统在结构设计、传热优化等方面仍不完善，需要进一步优化改进，为此本文以该系统的仪 器舱和发电舱进行热分析，利用 Flotherm 软件对舱内温度分布进行动态仿真模拟，得到的 结果与现场实际数据进行比较，表明仿真结果具有很高的可靠性。论文所做工作为研制更合 理的能源控制支撑系统，提供了理论支持。关键词：热分析；Dome A；南极科考; Flotherm15中图分类号：TK3Thermal Analysis and Simulation of Astronomical Expedition Supporting Platform in Antarctic Dome A Based on Flotherm20ZHU Yan, SHEN Jiong, LIU Xichui(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, School ofEnergy and Environment, Southeast University, NanJing 210096)Abstract: In order to support for astronomical observation station on Dome Argus, the first generation of Astronomical Expedition Supporting Platform, which was developed independently25by our country, was put into operation successfully on January 8, 2011 in Antarctic. This platform supplies multiple functions for the observation station, such as dependent power source, indoor environment, automatic data acquisition and wireless transmission. It successfully overcomes severe environment like extremely cold, low pressure, oxygen-poor, and provided automatic astronomical observation and other scientific research for our country in astronomic region.30However, weakness exists in the first generation system like structural design, heat transfer optimization. Therefore, thermal analysis of the capsule of the supporting platform was carried outin this article, a software called Flotherm was employed to dynamically simulate the internal temperature distribution of the capsule, obtaining temperature distribution data and comparing them with the real data to make clear that this simulation has high reliability. This article supplies35theoretical support for developing more reasonable energy controller support system.Keywords: Thermal analysis; Dome A; Antarctic expedition; Flotherm0引言冰穹 A(Dome Argus)是南极冰盖规模最大、与海岸距离最远、海拔最高的一个冰穹，在40理论上是南极地区最好的天文观测地点之一。我国在 2008 年进行南极科考时，于 Dome A 上 初步建立了自动天文观测站，但为该观测站提供电源、环境、通信与数据存储等支撑保障 PLATO 系统是由澳大利亚进行设计、制造和运行管理的，这就导致了我国在南极昆仑站设置基金项目：高等学校博士学科点专项基金(20090092110051); 国家自然科学基金(11190015, 51076027,51036002, 51106024)作者简介：朱彦，(1989-)，女，硕士研究生，主要研究方向为能源系统仿真、优化与先进控制。通信联系人：沈炯，(1957-)，男，教授，博士生导师，主要从事热力系统建模及先进控制理论在热工过程 中的应用研究。E-mail: shenj- 7 -的科学观测站无法于第一时间获取第一手数据的局面。2009 年，中科院紫金山天文台联合东南大学研发了我国第一代南极天文科考支撑平台，45并于 2011 年 1 月 8 号在 Dome A 探测站成功投入运行。该平台是我国独立自主研发的一套独 立能源控制支撑系统，突破了在高原极寒地区无人值守天文观测站所必须解决的诸多问题， 如就地自动检测与控制、远程遥测和遥控、海量数据存储、通信、电源保障、舱内环境控制 等关键技术，该系统的成功研制为我国在南极高原极寒、低气压、缺氧条件下开展自动天文 观测和其他科学探测奠定了坚实基础。但受研制时间仓促等因素限制，第一代能源控制支撑50系统仅是实现了一些必须的检测控制功能，对于系统的结构设计、设备的传热等问题仍需进 一步优化。为此，本文着重以 Dome A 第一代独立能源控制支撑系统为研究对象，在极寒、低气压 等极端台址环境下，对该支撑平台的仪器舱和发电舱进行传热分析，利用 Flotherm 软件进行 设备三维传热仿真，得到相应的温度分布数据，并与现场测量数据进行比较，通过对比表明55仿真结果的可靠性。论文的研究工作，为合理设计下一代 Dome A 独立能源控制支撑系统的 舱体结构、提高能源利用率提供了理论支持。1热分析原理热分析的原理是主要是计算流体动力学1（CFD, Computational Fluid Dynamics）和数值 传热原理2，采用有限元或有限体积法，通过求解 Navier-Stokes 方程，结合边界条件3，最60后得到温度、压力或速度分布。概括起来，热分析三大步骤如下：1.1 数学模型1.1.1三种传热形式热传导：65热对流： 热辐射：Qc = AT / xQh = AhT(1) (2)4 4Qs = A(T1 T2 )(3)其中，Qc、Qh 和 Qs 分别是热传导、热对流和热辐射热流量， A 是传热面积， 是导热70系数，h 是表面传热系数， 是物体的发射率， 是黑体辐射常数，T 是温差，x 是距离，T1 、T2 是物体表面温度。1.1.2三大守恒定律质量守恒： + ( u) + ( ) + ( w) = 0(4)75能量守恒：txyz ( T ) ( uT ) ( vT ) ( wT ) T T T p(5)动量守恒：+txyz= px cpx + y cy + z cz + ST(u) + ( uu) + ( u ) + (uw) = p + ( u ) + ( u ) + ( T ) + Stxyzxxxyyzzu(6)其中，u ，v ，w 是空间直角坐标系三个方向的速度分量，T 是温度， 是密度，C p 是80比热， 是导热系数， 是动力粘度，ST 是热源，Su 是体积力，式 (6)是 x 方向的动量守恒方程。1.2 数学模型通过划分网格，把求解域划分成若干微小的体积，在微小体积内的温度、压力等值于周 围其他体积单元的温度、压力等值有关，对一个体积单元使用上述的守恒方程。图 1 是使用85Flotherm 软件对求解域进行网格划分。1.3 数值求解图 1 网格的划分9095100对每一个单元需要建立 T、u、v、w、p 共 5 个方程，如果网格数是 n，那么共需要建立5n 个方程，利用计算机可以对这些方程进行求解，得到分析结果4。2建模本文以仪器舱为例，利用 Flotherm 建立其仿真模型。建模思路是首先确定环境参数，包 括温度、换热系数等，然后设定坐标系确定舱体、舱内部件、测孔、温度测点等的位置和尺 寸，还要查阅相关资料找到舱体内外的材料参数以及舱内部件的功耗，最后适当简化建立 Flotherm 模型，通过仿真得到相应温度分布并与实际进行比较。2.1 主要参数2.1.1环境参数设仪器舱外部环境温度为零下 40 度，则辐射温度也是零下 40 度，空气对流换热系数取3 W/m2·k，把求解域设为机箱外围尺寸，迭代次数为 2000 次。2.1.2舱体主要尺寸 仪器舱内主要有现场主控电子电器、数据存储电子电器、蓄电池等相对独立集成的模块，主要尺寸如表 1。105表 1 仪器舱主要尺寸名称尺寸（mm）名称尺寸（mm）舱体2991×2438×2896主控250×1700×1450舱内尺寸2833×2350×2695测孔 13×100舱内净尺寸2423×1940×2210测孔 23×30MASS600×500×1200进线孔2×100AST3600×600×850单开门900×2000数据FTS1100×500×850900×700×500货架蓄电池550×550×2210350×1812×3601101152.1.3材料参数舱体分为内层和外层，外层材料是 Steel(Mild)，在 Flotherm 材料库中可找到此种材料； 内层是保温层，材料是聚氨酯泡沫，材料库中没有，需通过查找资料获得其物性参数，由建 筑材料热物理性能与数据手册5可以找到聚氨酯在常温左右的相关物性参数，对于南极极 低温环境，应进行适当修正，这里取其导热系数为 0.03W/m·K。2.1.4功耗参数 舱内分布有控制柜、蓄电池等发热元件，根据实际，现将舱内各部件简化成一个个功率不等的体积热源，一共 6 个，功率密度如下表 2。表 2 舱内功耗参数名称功率密度（W/m3）热源 1250热源 21500热源 3400热源 4100热源 5500热源 62001201252.2 模型建立另外，在舱内八个顶点、舱体 Z-High 面中心以及舱外两处布置有温度探针，用于监控舱 内温度水平。图 2 是舱内各个温度测点的布置情况。基于上述条件，在不考虑舱体周围风管，同时考虑辐射时，得到仪器舱的 Flotherm 模型 如图 3。图 2 舱内温度测点 图 3 仪器舱的 Flotherm 模型1301351401452.3 网格划分由于系统热量分布比较均匀，且无微小部件，所以网格无需局部加密，均采用 Medium（中等）网络，设定后系统总体网格分布情况如图 3 所示。图 4 系统网格划分2.4 求解在舱体内所要关注的点设置温度探针，以便监控温度的变化，当考虑辐射时，交换因子 计算器被激活，先点击它开始计算交换因子辐射计算，计算结束，点击图标，利用 Flotherm 的 CFD 求解器进行求解。3仿真结果分析Flotherm 具有强大的后处理功能，包括图形表格，动态演示等方式，可呈现所需要的数 据或曲线。图 5 和图 6 为经 2000 次迭代后的计算结果，图 5 为残差曲线，可以看到压力、速 度和温度等残差曲线都达到了 1，也即曲线收敛，说明传热系统是稳定的，即系统每一时刻 产生的热量等于其散到外界的热量，系统各温度保持恒定。图 6 是温度测点的温度曲线，可 以看出位于舱体底部的测点 1、4 和 8 处的温度比较低，一方面是因为 X-Low 面的单开面和 Y-High 面等开孔处的散热会多一些，另一方面由于是自然散热，重力方向是 Z 轴反方向，所 以底面的传热系数比舱顶处要大，那么散热量也会比顶面大。图 5 残差曲线 图 6 温度曲线150155160165另外，按照常理，测点 5 处的温度也应该是低的，但是根据现场实际测得的温度，其温度只比测点 6 的温度低了不到 5 度。实际上，现场测点温度的布置有一定的随机性，探针 5 并不是准确的处在舱体顶点，而有可能放在功率密度很大的货架上，也就是热源 2 所在的位 置附近，这就导致测得的温度比想象中的高。图 7 是环境温度是-40时，舱内各个温度测点仿真得到的温度分布情况和实际测量结果 的比较，单位是摄氏度。可以看出来，仿真得到的结果与实际吻合的很好，不过仍有一定误 差，产生误差的原因有很多，比如温度测点的布置和实际情况间的差别、建模误差、网格划 分等等。图 7 环境温度是-40 时舱内各测点的温度分布图 8 是舱体 Y=2189mm 上的温度分布图，可以看出：舱内温度分布比较均匀，自下而上 温度逐渐有所增加，这是自然对流传热系数在减小的缘故，下面测孔和进线孔处温度比较低， 右面靠近单开门附近温度比左边上部低，这是因为开孔处和门处的传热系数比空气的传热系 数大的多。除了得到静态温度分布，改变环境温度，我们还可以得到温度分布的动态曲线。图 8 是 不同环境温度下得到的舱内测点温度的仿真曲线，可以看出，随着环境温度的提高，舱内测 点温度总体也在提高。图 8 温度分布图 图 9 不同环境温度下舱内测点的温度分布1701754结论本文基于热分析的原理，利用 Flotherm 散热分析软件对我国南极冰穹 A 第一代天文科考 支撑平台的能源控制支撑系统进行热分析，着重研究了该系统仪器舱和发电舱随外界温度变 化时，相应的温度分布变化情况，与实际测量结果相比较，仿真结果具有很好的逼近性，可 靠性较高。论文研究成果为科学设计下一代能源控制支撑系统提供了一种可行方法，为合理 设计设备安装位置，优化系统内传热提供了理论支撑。参考文献 (References)1801 P.J.罗奇. 计算流体动力学M. 科学出版社. 1983.2 S.V.帕坦卡. 传热与流体流动的数值计算M. 科学出版社. 1984.3 R. 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