郭 勇，董全林，王鵬飛，陳 瑤，全 偉，房建成

(1.微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191；2.慣性技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；3.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

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原子慣性儀表加熱磁屏蔽系統(tǒng)的熱分析

郭 勇1,2,3，董全林1,2,3，王鵬飛1,2,3，陳 瑤2,3，全 偉2,3，房建成2,3

(1.微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191；2.慣性技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；3.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

重點(diǎn)分析了原子慣性儀表加熱磁屏蔽系統(tǒng)的傳熱過程，分別建立了加熱磁屏蔽系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)的試驗(yàn)和系統(tǒng)三維模型，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)的熱特性分析。結(jié)果表明試驗(yàn)?zāi)Ｐ头抡娼Y(jié)果與測(cè)試得到的結(jié)果相符合，驗(yàn)證了熱仿真的可靠性。而系統(tǒng)模型仿真結(jié)果表明水冷表面溫度受水冷載體材料特性的影響較大，其關(guān)系曲線可為下一步水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料的選擇提供參考，并通過仿真得到了系統(tǒng)各層筒的導(dǎo)熱性能，為結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

加熱系統(tǒng)；傳熱分析；熱仿真；ANSYS Workbench

0 引言

在設(shè)計(jì)此加熱磁屏蔽系統(tǒng)時(shí)，需要進(jìn)行各種專項(xiàng)試驗(yàn)，來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等是否合理，也為下一步的設(shè)計(jì)如水冷提供依據(jù)。尤其是加熱實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，可觀察測(cè)量磁屏蔽系統(tǒng)中各結(jié)構(gòu)的溫度變化，但是實(shí)際試驗(yàn)由于條件的限制，往往只能測(cè)量試件上幾個(gè)點(diǎn)的溫度值，而熱仿真軟件可以獲得整個(gè)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布，且可通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析系統(tǒng)中各結(jié)構(gòu)的熱變形等。尤其是在一些試驗(yàn)設(shè)備無法達(dá)到的極值試驗(yàn)條件下或者試驗(yàn)件數(shù)量少且價(jià)格極其昂貴的情況下，溫度試驗(yàn)熱仿真將更能充分顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[10]。

熱仿真是對(duì)器件在特定熱載荷作用下形成的溫度分布進(jìn)行仿真分析。本文基于ANSYS Workbench的熱分析和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析功能，應(yīng)用傳熱學(xué)知識(shí)[11]，對(duì)原子慣性儀表的加熱磁屏蔽系統(tǒng)進(jìn)行了熱仿真分析。這對(duì)于全面分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理以及各結(jié)構(gòu)材料的選擇是否滿足要求提供指導(dǎo)作用且為下一步的水冷設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

1 加熱磁屏蔽系統(tǒng)的組成

使用SolidWorks建模軟件完成加熱磁屏蔽系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)模型如圖1所示，由內(nèi)而外，首先是原子泡，通過泡柄支撐管被固定于陶瓷爐中心，加熱片貼于陶瓷爐的6個(gè)外表面，對(duì)原子泡進(jìn)行加熱。再往外分別是PEEK真空隔熱層，主動(dòng)屏蔽線圈筒，鐵氧體以及水冷組件。最后外面還有4層薄的屏蔽筒。

圖1 加熱磁屏蔽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

2 加熱磁屏蔽系統(tǒng)傳熱過程分析

在加熱室外面雖然有隔熱筒隔熱，但仍有熱量從加熱片傳遞出來，分析整個(gè)磁屏蔽系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布就變得尤為重要，這涉及到水冷的設(shè)計(jì)和外層屏蔽線圈骨架等材料的選擇。

根據(jù)3種基本的傳熱方式，分析在水冷設(shè)計(jì)前，系統(tǒng)的傳熱過程如圖2所示。

圖2 加熱磁屏蔽系統(tǒng)傳熱過程示意圖

發(fā)熱源有2處，分別是粘于陶瓷爐表面的電阻絲加熱片和主動(dòng)磁屏蔽線圈，但此線圈發(fā)熱功率極小，與加熱片加熱功率相比，可忽略不計(jì)。所以發(fā)熱源只考慮電阻絲加熱片。一方面加熱片通過導(dǎo)熱將熱量傳遞給陶瓷爐，陶瓷爐再通過輻射和導(dǎo)熱將熱量傳遞給原子泡。實(shí)現(xiàn)原子泡加熱的目的。另一方面，加熱片和陶瓷爐外表面對(duì)外都有熱輻射，也可將熱量通過輻射方式傳遞給真空隔熱層，再通過導(dǎo)熱將熱量依次傳遞給屏蔽線圈筒、鐵氧體和水冷組件等,直至最外面環(huán)境。

3 加熱磁屏蔽系統(tǒng)熱仿真分析

原子泡的工作溫度要求穩(wěn)定在200 ℃，其由溫控系統(tǒng)控制。本次試驗(yàn)主要分析加熱片對(duì)外的傳熱，來分析各結(jié)構(gòu)材料的選擇是否滿足要求，且還為水冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。所以需要知道若不加水冷管，需水冷的材料表面可到達(dá)的最高溫度和此時(shí)水冷表面的熱負(fù)荷。并分析各層材料的導(dǎo)熱性能。

就以觀賞石的分類而論，古典觀賞石的分類因受制于科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力條件的約束，就只有靈壁石、太湖石、昆石、英石四大類型為正宗，延續(xù)了上千年。

本次仿真從結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_始，并結(jié)合傳統(tǒng)的溫度試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，逐漸向復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)仿真過渡，得到系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布。

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/p>

在現(xiàn)有的加熱試驗(yàn)中，加熱爐外只有隔熱筒。且放于環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果是隔熱筒外表面溫度為60～70℃。建立與試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的仿真模型，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，略去螺釘、螺母、圓角、安裝孔等不影響熱路模型的局部細(xì)節(jié)和小插件。建立與實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的幾何模型如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)仿真模型

3.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ头抡孢^程與結(jié)果分析

在ANSYS Workbench中，有2種熱分析方法，分別是穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析，穩(wěn)態(tài)熱分析用于分析穩(wěn)定的熱載荷對(duì)系統(tǒng)或部件的影響，對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)熱分析是用于分析計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)及其它熱參數(shù)，其載荷是隨時(shí)間變化的。在此次仿真中，只需仿真加熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)(即原子泡工作溫度為200℃)以后，熱載荷恒定的溫度分布，故應(yīng)用穩(wěn)態(tài)熱分析。

將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench平臺(tái)中，要設(shè)置的邊界條件如下：

(1)初始溫度設(shè)為25℃;

(2)設(shè)置加熱爐外表面與隔熱筒內(nèi)壁之間的輻射(加熱爐及加熱片表面輻射率為0.95，PEEK隔熱筒表面輻射率為0.7)；

(3)設(shè)置隔熱筒外表面對(duì)環(huán)境的輻射(環(huán)境溫度為25 ℃，輻射率為0.7)；

(4)設(shè)置隔熱筒與環(huán)境的對(duì)流換熱(取空氣對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m2·℃))。

其熱載荷有兩種設(shè)置方式：一種是設(shè)定加熱片的熱流Heat Flow值(實(shí)際為加熱功率值)，使原子泡加熱到200 ℃；另一種是設(shè)定加熱片的溫度為200 ℃直接進(jìn)行仿真(即假定加熱片的溫度與原子泡的溫差太小而可忽略不計(jì))。

熱載荷兩種設(shè)置方式的仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 熱流熱載荷的仿真結(jié)果

圖5 溫度熱載荷的仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)給加熱片施加24 W的穩(wěn)態(tài)加熱功率(即每個(gè)加熱片加熱功率為4 W)時(shí)，其原子泡的溫度為200 ℃，且可以看到其加熱片的溫度與原子泡溫度相差甚小。從圖4和圖5可以得到，兩種熱載荷設(shè)置方式的仿真結(jié)果基本一致，說明熱分析邊界條件的設(shè)定是合理的。其隔熱筒外表面最高溫度都大致為70℃，基本與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，驗(yàn)證了此次仿真結(jié)果的可靠性。為下一步作水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。在仿真過程中，材料參數(shù)的誤差、仿真過程中熱輻射率的設(shè)定以及將對(duì)流作為簡(jiǎn)單邊界條件施加是仿真與試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差的主要原因。

3.3 系統(tǒng)模型仿真過程與結(jié)果分析

為確定水冷，需要知道若不加水冷設(shè)備，水冷表面可達(dá)到的最高溫度，所以只需仿真到水冷結(jié)構(gòu)就可，再將有些對(duì)散熱影響小的螺釘?shù)刃×慵∠?，將各層筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，得仿真模型如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)仿真模型

此次仿真的目的是確定水冷表面最高溫度，所以假定在熱量往外傳遞過程中，效率最大。故在幾何模型中，各層筒之間是無間隙接觸，在仿真過程中，自動(dòng)生成的接觸域會(huì)激活各部件間的熱傳導(dǎo)，不考慮接觸熱阻對(duì)傳熱的影響。由試驗(yàn)?zāi)Ｐ头抡娼Y(jié)果可知，加熱片和原子泡溫度相差甚小。故可直接設(shè)置加熱片溫度為200℃進(jìn)行仿真，其它邊界條件設(shè)置如下：(1) 初始溫度設(shè)為25℃;(2) 設(shè)置加熱爐外表面與隔 熱筒內(nèi)壁之間的輻射(加熱爐及加熱片表面輻射率為0.95，PEEK隔熱筒表面輻射率為0.7)；(3)最后，設(shè)置外部邊界條件，如果沒有水冷結(jié)構(gòu)，水冷組件外面是空氣。且由于此系統(tǒng)要抽真空，空氣對(duì)流小，只需考慮水冷組件對(duì)外的輻射(輻射率依材料而定)。

在水冷組件設(shè)計(jì)時(shí)，水冷結(jié)構(gòu)材料初步選定為紫銅，但不同表面的紫銅金屬材料其輻射率是不同的，高度磨光表面的輻射率很小，而粗糙表面和受氧化作用后的表面的輻射率常常為磨光表面的數(shù)倍。本文將不同材料的輻射率代入分析，得到水冷表面的最高溫度隨輻射率的變化曲線如圖7所示。

圖7 水冷表面的最高溫度隨輻射率的變化曲線

由以上結(jié)果可觀察到，水冷表面的溫度隨材料輻射率的變化較大，在做水冷設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足設(shè)計(jì)要求下，一方面應(yīng)選用輻射率較大的紫銅表面，使熱量通過輻射散熱傳播出去，避免溫度過高，對(duì)磁屏蔽系統(tǒng)的各層材料性能造成影響。另一方面此結(jié)果對(duì)于水冷方式的選擇也有很大參考價(jià)值，根據(jù)此結(jié)果可設(shè)計(jì)水冷和選擇水冷設(shè)備。如極值情況下，若水冷結(jié)構(gòu)材料的輻射率特別小，其熱量只通過水冷傳遞出去，那么要水冷的表面溫度可設(shè)置為130℃進(jìn)行仿真分析。

3.4 加熱磁屏蔽系統(tǒng)各層筒的導(dǎo)熱性能分析

取3.3的結(jié)果進(jìn)行分析，設(shè)水冷表面的輻射率為0.4。得到的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 水冷表面輻射率為0.4的系統(tǒng)仿真結(jié)果

從上圖可知，加熱磁屏蔽系統(tǒng)中，隔熱筒的隔熱性能良好，其它各層筒的隔熱效果較差。從圖中也可以得到加熱系統(tǒng)對(duì)各層筒的溫度影響，這為后續(xù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

利用ANSYS Workbench 穩(wěn)態(tài)熱分析方法和試驗(yàn)輔助，比較試驗(yàn)?zāi)Ｐ头抡娼Y(jié)果與測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了此次仿真的可靠性，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)設(shè)計(jì)的加熱磁屏蔽系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真，通過分析不同水冷組件材料的輻射率大小對(duì)系統(tǒng)溫度場(chǎng)尤其是水冷表面溫度的影響，為下一步水冷材料的選擇提供理論依據(jù)，得到在滿足設(shè)計(jì)的要求下，應(yīng)選用輻射率大的材料，使熱量通過輻射散熱傳播出去，避免溫度過高，對(duì)磁屏蔽系統(tǒng)的各層材料性能造成影響。并模擬了加熱系統(tǒng)在原子泡的加熱過程中對(duì)系統(tǒng)各層材料的溫度影響，為后續(xù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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Thermal Analysis for Atomic Inertial InstrumentHeating Magnetic Shielding System

GUO Yong1,2,3,DONG Quan-lin1,2,3,WANG Peng-fei1,2,3,CHEN Yao2,3,QUAN Wei2,3,FANG Jian-cheng2,3

(1.Key Laboratory of Micro-nano Measurement-Manipulation and Physics，Beijing 100191，China;2.Science and Technology on Inertial Laboratory，Beijing 100191，China;3.School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

Focused on the analysis of the atomic inertial instrument heating magnetic shielding system’s heat transfer process,the test and the system’s 3D model based on the preliminary designed were established,and the steady-state thermal property of system by taking the advantage of Finite Element Method (FEM) software ANSYS Workbench was analyzed.Compared with the experiment data,the simulation results show its high consistency,verifying the reliability of the thermal simulation.Finally,based on the preliminary designed system’s thermal simulation analysis,the thermal conductivity property of each cylinder in system was obtained,and it discussed how temperature distribution of the entire system varied with water-cooled carrier material emissivity.The conclusion provides the basis for structure improvement.

heating system;heat transfer analysis;thermal simulation;ANSYS Workbench

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2006BAK03A24)；國(guó)家自然基金委重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)(61227902)

2015-03-08 收修改稿日期：2015-09-01

TP391.9;TP241.62

A

1002-1841(2015)12-0022-04

郭勇(1991—)，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樵討T性儀表的熱分析、海洋傳感器研究。E-mail:guoyongsydx@163.com 董全林(1964—)，教授，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)閼T性導(dǎo)航系統(tǒng)、精密儀器與機(jī)械。E-mail:dongquanlin@buaa.edu.cn