大氣壓強對艙內(nèi)空氣流動與傳熱特性的影響研究.pdf

1、自主研發(fā)南極科考支撐平臺對于可靠保障我國在南極內(nèi)陸地區(qū)開展科學研究具有重要的戰(zhàn)略意義。支撐平臺主要包括發(fā)電艙和儀器艙兩部分，其中，發(fā)電艙負責實現(xiàn)科考支撐平臺的能源供給，儀器艙則主要實現(xiàn)氣象探測、數(shù)據(jù)通訊、現(xiàn)場控制等功能。發(fā)電艙和儀器艙內(nèi)均集成了大量的設(shè)備及器件。
　　對于南極高寒環(huán)境下的平臺運行，其首要任務(wù)就是保溫。艙內(nèi)設(shè)備在工作過程中產(chǎn)生大量熱，可為平臺艙體的保溫提供重要熱源。但是，倘若不對艙內(nèi)空氣流動進行合理組織，艙內(nèi)熱空氣上

2、升而冷氣體集聚在艙體下部，這將導致艙內(nèi)溫度分布失衡，使艙內(nèi)出現(xiàn)局部過冷或過熱現(xiàn)象，進而影響艙內(nèi)儀器設(shè)備的正常工作。再者，目前對于艙內(nèi)設(shè)備器件傳熱特性的研究多集中在常壓環(huán)境條件，環(huán)境壓強變化對艙內(nèi)空氣流動與換熱的影響機制尚不清晰，涉及南極低溫、低氣壓環(huán)境條件下艙內(nèi)設(shè)備器件的多熱源耦合傳熱研究更是鮮見報道。為此，本文基于南極DomeA地區(qū)典型的極寒、低氣壓的環(huán)境特點，建立了南極科考支撐平臺發(fā)電艙和儀器艙艙內(nèi)空氣流動傳熱及設(shè)備器件換熱的理論模

3、型并進行數(shù)值求解，獲得了環(huán)境條件、功耗等因素對艙內(nèi)溫度場與速度場的影響特性。為進一步揭示低氣壓環(huán)境下艙體內(nèi)的傳熱機理，本文設(shè)計搭建低壓環(huán)境電子器件換熱特性測試平臺，實驗研究了影響艙內(nèi)器件換熱特性的多個因素。概況起來，本論文的主要研究內(nèi)容和取得的主要結(jié)論如下:
　　南極科考支撐平臺艙體（發(fā)電艙與儀器艙）內(nèi)空氣流動與傳熱的數(shù)值研究表明:
　　(1)在發(fā)電艙內(nèi)，隨環(huán)境壓強的減小，柴油機組附近空氣溫度逐漸升高。在豎直方向上，越靠近艙

4、體頂部，截面平均溫度越高。發(fā)電艙內(nèi)空氣溫度受艙體所處的環(huán)境壓強、柴油機發(fā)熱量以及外部環(huán)境溫度等因素影響。柴油機散熱量增加、環(huán)境溫度升高時，艙內(nèi)空氣溫度升高。
　　(2)在儀器艙內(nèi)，隨環(huán)境壓強的減小，艙內(nèi)空氣對流換熱能力減弱，散熱設(shè)備的表面溫度呈升高趨勢。儀器艙內(nèi)外氣體交換主要靠空氣對流完成，相比于發(fā)電艙，空氣流量較小，因此艙內(nèi)溫度水平較高。在儀器艙內(nèi)增加電加熱器后，艙內(nèi)空氣溫度隨電加熱功率的增加而升高。
　　低壓環(huán)境下艙內(nèi)電

5、子器件換熱特性的實驗研究表明:
　　(1)大氣壓強降低的直接體現(xiàn)是空氣密度減小，這將導致電子器件與環(huán)境之間對流換熱能力減弱，使得器件工作穩(wěn)定后表面溫度增加。且壓強越低，對流換熱的能力衰減越快。
　　(2)低壓工況下強制對流能顯著增強器件換熱能力，降低器件表面最大溫度。采用強制對流換熱時，空氣流動性增強可彌補因壓強減小而造成的散熱弱化。
　　(3)隨環(huán)境壓強的減小，空氣的對流換熱能力減弱，這使得器件與環(huán)境之間達到熱平衡所