Учебное пособие 800528

распределенными источниками тепла и с локальными объемными и поверхностными источниками тепловой энергии; сложные модели в виде системы тел с тепловыми источниками.

Рис. 5.5. Структура процесса теплового проектирования РЭС на основе конструктивно-теплового синтеза

61

Для задач оценки ТР могут быть использованы приближенные коэффициентные методы, позволяющие рассчитать средние температуры нагретой зоны и корпуса РЭС, а также решение задач моделирования тепловых процессов в объектах простой формы с распределенным внутренним тепловыделением. Для выбора типа, структуры и режимов функционирования СО целесообразно рассматривать теплообмен с окружающей средой с помощью коэффициентов теплопередачи , используя постановку краевых задач с граничными условиями III рода.

Проведенный анализ предметной области и применяемых средств позволяет сделать вывод, что имеющиеся методы и математическое обеспечение в большинстве направлены на решение задач моделирования и анализа тепловых процессов и температурных полей РЭС.

Решение вопросов обеспечения требуемых ТР, в том числе и задачи выбора, структурного и параметрического синтеза, рассмотрены в значительно меньшем объеме. В основном задачи обеспечения ТР и достижения необходимой эффективности систем и устройств теплоотвода решаются итерационно на основе проведения многократного анализа с изменением конструктивных и теплофизических параметров РЭС, по результатам которого выбирается вариант СО конкретной конструкции или комплекса РЭС, отвечающих требованиям ТЗ к ТР. Постановки таких задач, возможные для применения в процедурах конструктивно-теплового синтеза, разработаны для отдельных частных случаев [10].

Вопросы выбора охлаждения РЭС рассмотрены в [11, 12]. Основная методика построена на базе графиков [11] полученных по результатам статистической обработки экспериментальных и расчетных данных. Исходными данными являются: мощность тепловыделения в блоке Р; допустимый перегрев, определяемый по наименее термостойким компонентам данного устройства, l=Тi+Тс, где

62

Тс=Тс.max –для естественного охлаждения, Тс=Тс.вх – для принудительного; коэффициент заполнения корпуса устройства КЗ; давление воздуха Р. На рис. 5.6 представлены подобные графики в виде зависимости С=f(lg, q), где q=РКр/Sз

– удельный поверхностный тепловой поток, Кр – коэффициент, учитывающий давление (Кр=1 при нормальных условиях); Sз=2[L1 L2+ (L1 +L2) L3 КЗ] – площадь условной нагретой зоны (поверхности теплообмена), L1, L2, L3- габаритные размеры блока. Верхняя часть рис.1.6 предназначена для теплонагруженных узлов и крупногабаритных компонентов, нижняядля блоков и стоек.

Рис. 5.6. Области целесообразного применения различных способов охлаждения

При попадании расчетной точки в незаштрихованные области рис. 5.6. возможно применение какого-либо одного способа охлаждения (1 — свободное воздушное, 3— принудительное воздушное, 5 — принудительное испарительное); в заштрихованных областях другом возможно применение двух или трех способов охлаждения (2 — свободное и принудительное воздушное, 4— принудительное воздушное и жидкостное, 6 — принудительное жидкостное и

63

свободное испарительное, 7— принудительное жидкостное, принудительное и свободное испарительное, 8 — свободное принудительное и свободное испарительное, 9 — свободное и принудительное испарительное). Выбранный таким образом базовый способ охлаждения должен быть реализованс помощью применения в РЭС конкретного типа СО (см. рис. 5.2), что требует выбора ее структуры, состава, конструктивных и функциональных параметров-. Следует также учитывать, что каждому из возможных видов охлаждения соответствуют определенный диапазон значений коэффициентов теплоотдачи , приведенных в таблице. Таким образом, данный метод выбора способа охлаждения в общем случае не дает однозначные результаты, что требует дальнейшего уточнения и определения значений коэффициентов теплоотдачи для последующего структурного

ипараметрического синтеза СО и анализа тепловых процессов

итемпературных полей. Поэтому необходимы дополнительные модели и методики для определения структуры, состава и параметров СО РЭС (необходимость применения локальных и групповых тепловыделяющих устройств, расход и скорость движения теплоносителя и т.д.).

Различные типы тепловыделяющих устройств (радиаторы, тепловые трубы и т.д.) рассмотрены в [10, 13], модели и методики их проектирования в - [10, 14, 15].

64

Таблица Коэффициенты теплоотдачи для различных способов

охлаждения

Методики расчета параметров радиаторов различных типов приведены в [13, 15], где задача параметрического синтеза решается путем многократного повторения задач анализа, также отсутствуют формализованные подходы к выбору типов радиаторов. Для снижения затрат и повышения эффективности процедур выбора основных типов радиаторов (оребренные и штыревые) в [10] введена их характеристика в виде эффективного коэффициента теплопередачи эф, в [14] такой подход обобщен на различные типы теплоотводящих устройств (радиаторы, тепловые шины, тепловые трубы, термоэлектрические охладители и т.д.), отдельные части и СО в целом. При этом интегральной характеристикой служит эквивалентный коэффициент теплоотдачи (теплообмена) э, учитывающий в комплексе теплофизические и конструктивные параметры и режимы функционирования системы и устройств теплоотвода и РЭС, что позволяет на единой методической базе решать задачи структурного и

65

параметрического синтеза СО, входящих в ее состав устройств, а также другие задачи конструктивно-теплового синтеза.

Такой эквивалентный коэффициент теплообмена в

где Р - мощность тепловыделения, Вт;о - заданное значение перегрева (локального или

среднего), которое должно быть обеспечено ( о , где - реальный перегрев в данной конструкции), К;

SТО – площадь поверхности теплообмена (корпуса, нагретой зоны, узла, компонента, радиатора и т.д.), м2.

В основе рассматриваемого подхода лежит определение необходимых значений э для конкретной конструкции, обеспечивающих выполнение требований к нормальному ТР. Соответственно это значение Э является базой для проектирования системы охлаждения, комплекса теплоотводящих устройств и отдельных из них, а задача тогда формулируется как получение СО, обеспечивающей требуемое значение ТЭ ( Э ТЭ) или как выполнение условия

с учетом ограничений по массе, габаритам, энергопотреблению, сложности СО и т.д.

Для определения значений Э необходим комплекс ММ тепловых процессов на всех иерархических уровнях конструкции создаваемых РЭС, в типовом случае - от стойки до узла (или компонента). При этом в качестве базовой принимается краевая задача с граничными условиями II и III рода, которая для трехмерного случая имеет вид

66

где - коэффициент теплопроводности, Вт/мК; к = x,y,z – координаты;

К - коэффициенты теплоотдачи с поверхностей в направлении соответствующей оси координат;

qv, qs – удельная объемная и поверхностная плотность теплового потока соответствующих источников тепла;

f(qv) – функция, зависящая от постановки краевой задачи и вида применяемой тепловой модели РЭС.

Для выполнения процедур конструктивно-теплового синтеза предпочтительным является применение аналитических моделей, получение которых возможно путем решения подобных краевых задач такими методами, как метод конечных интегральных преобразований.

В комплекс задач обеспечения теплового режима РЭС входят и задачи оптимизации их тепловых и конструктивных характеристик по тепловым критериям. Различные критерии оптимальности тепловых характеристик конструкций РЭС и методы их формирования в качестве основных целесообразно применять следующие: средняя температура ТСР или перегревСР, среднее квадратичное отклонение температуры т или перегрев . Соответствующие целевые функции имеют вид:

При этом частным случаем первого критерия (при n = 1) является локальное значение температуры Ti или перегрева

i.

Также повышение эффективности теплового проектирования РЭС путем комплексного решения сформулированных задач конструктивно-теплового синтеза требует формирования и разработки набора унифицированных тепловых моделей конструкций РЭС и теплоотводящих устройств, имеющего минимальный состав и охватывающего все необходимые уровни конструктивной иерархии, а также комплекса ММ процессов теплопередачи и температурных полей конструкций РЭС, позволяющих определять значенияЭ ( ТЭ) систем охлаждения и устройств теплоотвода и обеспечения ТР, соответствующих алгоритмов и методик.

Для автоматизации решения рассмотренных в п. 5.1 задач конструктивно-теплового синтеза соответствующие программные средства должны обеспечивать выполнение следующих функций:

на этапах анализа характеристик конструкции - формирование математического описания тепловых процессов в конкретном устройстве (ТМ и ММ) и моделирование температурных полей на различных уровнях конструктивной иерархии;

на этапах получения проектных решений: поддержка разработки общей конструктивной компоновки РЭС с целью обеспечения требуемого (максимального) теплоотвода; определение возможных типов СО и выбор наиболее эффективного из них; определение параметров функционирования СО; выбор типов и разработка высокоэффективных теплоотводящих устройств; оптимальное размещение тепловыделяющих узлов и элементов РЭС с учетом тепловых и коммутационных требований.

68

Рассмотрим с точки зрения этих требований наиболее распространенные программные средства ТП.

На основе имеющегося в настоящее время математического и методического обеспечения создан ряд программных комплексов для моделирования ТР РЭС, как специализированных - АСОНИКА-Т, ТРиАНА, WinTherm, T3Step, Thermodel, КРИОТЕРМ, BetaSoft, Flotherm, Webench, Package Thermal Designer и др. [16,17] (www.asonika.ru, www.triana.ire.krgtu.ru, www.rodnik.ru, www.list-soft.ru, www.mentor.com, www.betasoft-thermal.com), так и универсальных, предназначенных для исследования различных физических процессов, в том числе и тепловых, в

технических объектах - ProEngeneer, ANSYS, MARK, NASTRAN, Зенит - 95, и т.д. (www.ansys.ru, www.arbyte.ru, www.mscsoftware.ru, www.catia.ru, www.ptc.ru, www.solver.ru, www.pro-technologies.ru, www.tpolis.com, www.sapr.ru, www.cadmaster.ru, www.tandk.ru www.analysistech.com, www.micred.com, www.kriotherm.spb.ru, www.bme.hu, www.flomerics.com, www.cad.ru), отличающиеся назначением, выполняемыми функциями, точностью, универсальностью, сложностью и т.д.

Рассмотрим подробнее возможности наиболее распространенных программных комплексов по моделированию тепловых процессов.

В систему АСОНИКА [17] (www.asonika.ru, www.rodnik.ru) входит подсистема «АСОНИКА-Т» предназначенная для автоматизации процесса теплового проектирования РЭС.

Подсистема «АСОНИКА-Т» позволяет анализировать следующие типы конструкций: микросборки, радиаторы и теплоотводящие основания, гибридно-интегральные модули, блоки этажерочной и кассетной конструкции, шкафы, стойки, а также нетиповые (произвольные) конструкции. Подсистема дает возможность провести анализ стационарного и

69

нестационарного тепловых режимов аппаратуры, работающей при естественной и вынужденной конвекциях в воздушной среде, как при нормальном, так и при пониженном давлении. При анализе нетиповых конструкций определяются температуры выделенных изотермических объемов; при анализе типовых узлов - температуры компонентов, а также дискретное температурное поле типовых узлов и их интегральные температуры.

С помощью программы осуществляется моделирование стационарных и нестационарных тепловых режимов конструкций РЭС при различных условиях охлаждения путем формирования системы нелинейных (в общем случае) уравнений (для стационарного теплового процесса) или системы обыкновенных дифференциальных уравнений (для нестационарного теплового процесса) по заданным геометрическим и теплофизическим параметрам конструкции РЭС, установленных в РЭС конструктивных узлов, элементов, а также определенных конструктором граничных условий, решение системы уравнений и вывод результатов в удобной для дальнейшего анализа форме.

Система уравнений формируется программой на основе топологической модели (метод электро-тепловой аналогии), построенной пользователем. Для peшeния указанной задачи иcпользуютcя кpитepиальныe уpавнeния тeоpии подобия и уpавнeния тeплоообмена, метод узловых потенциалов для фоpмиpования математической модели тепловых пpоцессов в виде системы обыкновенных диффеpенциальных уpавнений или системы нелинейных алгебpаических уpавнений.

Комплекс ТРИАНА (www.triana.ire.krgtu.ru), который может интегрироваться в систему АСОНИКА, предназначен для моделирования на ПЭВМ стационарных и нестационарных тепловых процессов, протекающих в конструкциях РЭС, таких как стоечные конструкции, блоки с регулярной и нерегулярной структурами, печатные узлы,

70