1 引言
溫度調(diào)節(jié)板為紅外隱身系統(tǒng)的基本組成部件，溫度調(diào)節(jié)板接收發(fā)出的信息并作為指令溫度對(duì)溫度調(diào)節(jié)板表面溫度進(jìn)行控制。主要功能是接收串行總線的溫度指令，對(duì)溫度調(diào)節(jié)板外表面實(shí)現(xiàn)溫度控制，以模擬環(huán)境紅外輻射強(qiáng)度。
2 結(jié)構(gòu)概況
溫度調(diào)節(jié)板結(jié)構(gòu)如圖1所示，由蓋板、半導(dǎo)體制冷片、墊塊、底蓋板、溫度控制組件等構(gòu)成。溫度傳感器安裝于蓋板上，負(fù)責(zé)對(duì)蓋板溫度進(jìn)行測(cè)量，半導(dǎo)體制冷片為熱轉(zhuǎn)換器件，可以根據(jù)溫度控制組件收到的指令溫度，調(diào)節(jié)蓋板的溫度。墊塊負(fù)責(zé)在半導(dǎo)體制冷片和底蓋板之間傳遞熱量，（在整個(gè)系統(tǒng)中底蓋板與底板充分接觸，底板有較大熱容，以使墊塊在制冷片工作過程中保持恒溫）。蓋板與底蓋板之間采用密封條隔熱連接，螺釘與蓋板采用襯套連接，以防止熱傳導(dǎo)。
圖1 溫度調(diào)節(jié)板結(jié)構(gòu)示意圖
3 材料屬性
分別分析底蓋板兩種材料的情況，材料參數(shù)詳見下表。
表1 材料特性表
4 熱載荷及熱邊界條件
1）熱傳導(dǎo)
導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)的一種物理性質(zhì)，表示物質(zhì)的導(dǎo)熱能力的大小，導(dǎo)熱系數(shù)值越大，物質(zhì)的導(dǎo)熱性能越好。導(dǎo)熱系數(shù)只能實(shí)際測(cè)定。本報(bào)告中材料的導(dǎo)熱系數(shù)在表1中已經(jīng)給出。
2）對(duì)流
對(duì)流換熱系數(shù)的大小與傳熱過程中的許多因素有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀。大小相對(duì)位置，而且與流體的流速有關(guān)。
對(duì)于熱對(duì)流在高溫計(jì)算時(shí)對(duì)流系數(shù)比較難確定，而且對(duì)流系數(shù)對(duì)計(jì)算的影響較大。在本報(bào)告中，當(dāng)蓋板與內(nèi)外表面空氣有溫差時(shí)，熱傳遞功率P=S*ΔT*h； S為面積，ΔT為溫差；h為常數(shù)5W/（m2·℃）。
3)輻射
輻射與吸收過程的綜合作用造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞，稱輻射換熱。輻射換熱是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，當(dāng)物體與周圍環(huán)境溫度處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量為零，但輻射與吸收過程仍在不停的進(jìn)行，只是輻射熱與吸收熱相等。
溫度調(diào)節(jié)板是因?yàn)闊岬脑蚨l(fā)生的輻射，屬于熱輻射。當(dāng)蓋板與外表面空氣有溫差時(shí)，輻射傳遞功率P= S*δ(T1²*T1²-T2²*T2²)；δ=5.67*10-9w/(m2k4)；S為蓋板外表面面積�？刂茻彷椛淠芰看笮〉氖怯奢椛淞Q定的。本報(bào)告中輻射換熱系數(shù)取0.8。
5 溫度調(diào)節(jié)板仿真分析模型
5.1 幾何模型
為了減小計(jì)算量，沿對(duì)稱面取溫度調(diào)節(jié)板的一半進(jìn)行計(jì)算，部分溫度控制組件對(duì)結(jié)果影響不大，在計(jì)算中略去，其仿真計(jì)算幾何模型，如圖2所示。
圖2 幾何模型
5.2 有限元網(wǎng)格模型
采用四面體單元對(duì)溫度調(diào)節(jié)板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)266397，節(jié)點(diǎn)數(shù)為478672其有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。
圖3 有限元網(wǎng)格模型
6 制冷片對(duì)蓋板加熱時(shí)的計(jì)算結(jié)果
初始階段，底蓋板、墊塊、蓋板、制冷片、空氣溫度都為-10℃，然后制冷片以13W的功率給蓋板加熱，當(dāng)蓋板表面指定點(diǎn)溫度為-5℃時(shí)，分析外表面的溫度分布情況，并給出外表面溫度分布云圖，以及溫度在外表面直徑上的分布函數(shù)圖形。
6.1 底蓋板材料為OCr15Ni5Cu2Nb
制冷片以13W的功率給蓋板加熱， 加熱到47s時(shí)蓋板給定位置處溫度由-10℃上升至-5℃，如圖4所示。此時(shí)表面溫度分布云圖如圖5所示。
圖4 指定點(diǎn)溫度升至-5℃
圖5 指定點(diǎn)溫度升至-5℃時(shí)外表面溫度云圖
當(dāng)指定點(diǎn)的溫度達(dá)到-5℃時(shí)，在蓋板表面處指定一路徑如圖6所示，得到該路徑的外表面溫度分布數(shù)據(jù)梯度如圖7。
圖6 蓋板指定路徑
圖7 蓋板指定路徑溫度分布梯度
在制冷片加熱過程中，蓋板的最高溫度和最低溫度的溫差隨加熱時(shí)間的增加而變化，變化曲線如圖8所示。
圖8 蓋板溫差隨時(shí)間變化曲線
6.2 底蓋板材料為鋁合金LY12
制冷片以13W的功率給蓋板加熱，加熱到55s時(shí)，蓋板給定位置處溫度由-10℃上升至-5℃，如圖9所示。此時(shí)表面溫度分布云圖如圖10所示。
圖9 指定點(diǎn)溫度升至-5℃
圖10 指定點(diǎn)溫度升至-5℃時(shí)外表面溫度云圖
當(dāng)指定點(diǎn)的溫度達(dá)到-5℃時(shí)，在蓋板表面處指定一路徑如圖11所示，得到該路徑的外表面溫度分布數(shù)據(jù)梯度如圖12。
圖11 蓋板指定路徑
圖12 蓋板指定路徑溫度分布梯度
在制冷片加熱過程中，蓋板的最高溫度和最低溫度的溫差隨加熱時(shí)間的增加而變化，變化曲線如圖13所示。
圖13 蓋板溫差隨時(shí)間變化曲線
7 制冷片對(duì)蓋板制冷時(shí)的計(jì)算結(jié)果
初始階段，底蓋板、墊塊、蓋板、制冷片、空氣溫度都為30℃，然后制冷片以13W的功率給蓋板制冷，當(dāng)蓋板表面指定點(diǎn)溫度為25℃時(shí)，分析外表面的溫度分布情況，并給出外表面溫度分布云圖，以及溫度在外表面直徑上的分布函數(shù)圖形。
7.1 底蓋板材料為OCr15Ni5Cu2Nb
制冷片以13W的功率給蓋板制冷，制冷到48s時(shí)，上蓋板給定位置處溫度由30℃下降至25℃，如圖14所示。此時(shí)表面溫度分布云圖如圖15。
圖14 指定點(diǎn)溫度降至25℃
圖15 指定點(diǎn)溫度降至25℃時(shí)外表面溫度云圖
當(dāng)指定點(diǎn)的溫度降到25℃時(shí)，在蓋板表面處指定一路徑如圖16所示，得到該路徑的外表面溫度分布數(shù)據(jù)梯度如圖17。
圖16 蓋板指定路徑
圖17 蓋板指定路徑溫度分布梯度
在制冷片制冷過程中，蓋板的最高溫度和最低溫度的溫差隨制冷時(shí)間的增加而變化，變化曲線如圖18所示。
圖18 蓋板溫差隨時(shí)間變化曲線
7.2 底蓋板材料為鋁合金LY12
制冷片以13W的功率給蓋板制冷，制冷到56s時(shí)，上蓋板給定位置處溫度由30℃下降至25℃，如圖19所示。此時(shí)表面溫度分布云圖如圖20。
圖19 指定點(diǎn)溫度降至25℃
圖20 指定點(diǎn)溫度降至25℃時(shí)外表面溫度云圖
當(dāng)指定點(diǎn)的溫度降到25℃時(shí)，在蓋板表面處指定一路徑如圖21所示，得到該路徑的外表面溫度分布數(shù)據(jù)梯度如圖22。
圖21 蓋板指定路徑
圖22 蓋板指定路徑溫度分布梯度
在制冷片制冷過程中，蓋板的最高溫度和最低溫度的溫差隨制冷時(shí)間的增加而變化，變化曲線如圖23所示。
圖23 蓋板溫差隨時(shí)間變化曲線
8 結(jié)論和改進(jìn)方案
由以上第6節(jié)和第7節(jié)溫度計(jì)算，可以得出：
（一）制冷片加熱
1）制冷片加熱，使蓋板指定點(diǎn)溫度由-10℃上升到-5℃。當(dāng)?shù)咨w板材料為OCr15Ni5Cu2Nb時(shí)，加熱時(shí)間為47s，當(dāng)?shù)咨w板材料為鋁合金LY12時(shí)，加熱時(shí)間55s�？芍咨w板的導(dǎo)熱性能越好，蓋板達(dá)到指定溫度所需要的加熱時(shí)間越長。
2）蓋板指定點(diǎn)溫度達(dá)到-5℃時(shí)，底蓋板兩種材料指定路徑上的溫度分布梯度對(duì)比如圖24所示�？芍�(dāng)?shù)咨w板材料為鋁合金LY12時(shí)溫度梯度變化較平緩。
3）制冷片加熱，蓋板指定點(diǎn)溫度達(dá)到-5℃，底蓋板為兩種不同材料時(shí)，蓋板表面最大溫差隨時(shí)間變化曲線如圖25所示，可知當(dāng)?shù)咨w板材料為鋁合金LY12，導(dǎo)熱性能較好，蓋板表面的溫差變化較小。
圖24 不同材料蓋板指定路徑溫度分布梯度
圖25 蓋板溫差隨時(shí)間變化曲線（加熱）
（二）制冷片制冷
1）制冷片制冷，使蓋板指定點(diǎn)溫度由30℃下降到到25℃。當(dāng)?shù)咨w板材料為OCr15Ni5Cu2Nb時(shí)，制冷時(shí)間為48s，當(dāng)?shù)咨w板材料為鋁合金LY12時(shí)，制冷時(shí)間56s�？芍�，底蓋板的導(dǎo)熱性能越好，蓋板達(dá)到指定溫度所需要的制冷時(shí)間越長。
2）蓋板指定點(diǎn)溫度達(dá)到25℃時(shí)，底蓋板兩種材料指定路徑上的溫度分布梯度對(duì)比如圖26所示�？芍刂付窂椒较�，前半程當(dāng)?shù)咨w板材料為OCr15Ni5Cu2Nb時(shí)溫度梯度變化較平緩，后半程當(dāng)?shù)咨w板材料為鋁合金LY12時(shí)，溫度梯度變化較平緩。
3）制冷片制冷，蓋板指定點(diǎn)溫度達(dá)到25℃，底蓋板為兩種不同材料時(shí)，蓋板表面最大溫差隨時(shí)間變化曲線如圖27所示，可知當(dāng)?shù)咨w板材料為鋁合金LY12，導(dǎo)熱性能較好，蓋板表面的溫差變化較小。
圖26 不同材料蓋板指定路徑溫度分布梯度
圖27 蓋板溫差隨時(shí)間變化曲線（制冷）
綜合上述結(jié)論分析，建議采取以下措施減小蓋板表面溫差變化：①改變下蓋板材料；②增加蓋板厚度；③增大制冷片與蓋板的接觸面積；④蓋板制冷片的功率。
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