Статья 'Моделирование и испытание вычислительными методами адаптированной к аддитивным технологиям изготовления термоплаты' - журнал 'Программные системы и вычислительные методы' - NotaBene.ru
по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > Требования к статьям > Политика издания > Редакция > Порядок рецензирования статей > Редакционный совет > Ретракция статей > Этические принципы > О журнале > Политика открытого доступа > Оплата за публикации в открытом доступе > Online First Pre-Publication > Политика авторских прав и лицензий > Политика цифрового хранения публикации > Политика идентификации статей > Политика проверки на плагиат
Журналы индексируются
Реквизиты журнала
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Программные системы и вычислительные методы
Правильная ссылка на статью:

Моделирование и испытание вычислительными методами адаптированной к аддитивным технологиям изготовления термоплаты

Автушенко Александр Александрович

соискатель, кафедра 904, Московский авиационный институт

125480, Россия, Московская область, г. Москва, ул. Героев Панфиловцев, 10, стр. 10

Avtushenko Aleksandr Aleksandrovich

Applicant, Department 904, Moscow Aviation Institute

125480, Russia, Moskovskaya oblast', g. Moscow, ul. Geroev Panfilovtsev, 10, str. 10

a.avtushenko@bk.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Рипецкий Андрей Владимирович

кандидат технических наук

доцент, кафедра 904, Московский авиационный университет

125993, Россия, Московская область, г. Москва, ул. Волоколамская, 4

Ripetskii Andrei Vladimirovich

PhD in Technical Science

Associate Professor, Department 904, Moscow Aviation University

125993, Russia, Moskovskaya oblast', g. Moscow, ul. Volokolamskaya, 4

a.ripetskiy@mail.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Автушенко Алексей Александрович

инженер, ПАО "Радиофизика"

142281, Россия, Московская область, г. Москва, ул. Героев Панфиловцев, 10, оф. 1

Avtushenko Aleksei Aleksandrovich

Engineer, PJSC "Radiophysics"

142281, Russia, Moskovskaya oblast', g. Moscow, ul. Geroev Panfilovtsev, 10, of. 1

debr-astop@mail.ru

DOI:

10.7256/2454-0714.2019.4.30631

Дата направления статьи в редакцию:

22-08-2019


Дата публикации:

29-08-2019


Аннотация: Автором рассматривается геометрическая модель термоплаты, основанная на фактических данных полученных при использовании методики адаптирования к аддитивным технологиям изготовления теплообменных устройств. Исследуется вопрос решения нахождения наиболее эффективного варианта термоплаты вычислительным методом среди выбранных вариантов и проводится сравнение с изготовленным методом аддитивных технологий экспериментальным образцом, для верификации выбранного метода получения вычислительных данных. Анализируется 62 выбранных варианта термоплат, с адаптацией расчетной сетки в матрице термоплаты. Для испытания собрана специальная установка и изготовлены образцы на принтере EOS M290. Основные методы исследования применяемые в работе: вычислительный и сравнительно - аналитический для получения данных по выбранным вариантам и определении эффективного образца, а также экспериментальный для верификации полученных данных. Новизна исследования заключается в разработке эффективной геометрической формы термоплаты и изготовлении выбранного образца методом аддитивных технологий. Выбранная геометрическая модель термоплаты изготовлена методом аддитивных технологий с минимальными издержками, стержни и основания тероплаты являются самонесущими элементами не нуждающимися в поддержках. Результаты исследовательских испытаний опытного образца термоплаты подтверждают правильность выбранного расчетного метода определения эффективной конструкции термоплаты, изготовленной методом аддитивных технологий.


Ключевые слова:

радиоэлектронная аппаратура, оребрённые стержни, аддитивные технологии, вычислительный метод, расчетная сетка, поддержки, оптимизация геометрии, термоплата, термодинамические характеристики, испытание термоплат

Abstract: The authors consider a geometric model of a thermal board based on actual data obtained using the methodology of adaptation to additive manufacturing technologies of heat exchangers. The question of solving the problem of finding the most effective thermal card option by the computational method among the selected options is investigated and a comparison is made with the experimental sample made by the additive technology method to verify the selected method for obtaining computational data. The authors analyze 62 selected options for thermal boards, with the adaptation of the computational grid in the thermal board matrix. For testing, a special installation was assembled and samples were made on an EOS M290 printer. The main research methods used in the work: computational and comparative-analytical methods to obtain data on the selected options and determine the effective sample, as well as experimental to verify the data.The novelty of the study lies in the development of an effective geometric form of the thermal board and the manufacture of the selected sample by the method of additive technologies. The selected geometric model of the thermal board is manufactured using the additive technology method at the lowest cost, the rods and bases of the thermal board are self-supporting elements that do not need support. The results of research tests of a prototype thermal board confirm the correctness of the selected calculation method for determining the effective design of a thermal board manufactured by the additive technology method.


Keywords:

radioelectronic equipment, finned rods, additive manufacturing, computational method, computational grid, supports, geometry optimization, type of heat exchanger, thermodynamic characteristic, test type of heat exchanger

При проектировании современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) важной задачей является обеспечения эффективных тепловых режимов [3, с.23-26; 4; 5, с.55-58; 6, с.34-44; 7, с.11-41,45-68; 8, с.66-69, 170-177], так как превышение допустимых температур радиоэлементов приводит к снижению их надежности и ресурса. С другой стороны, для современной РЭА характерно усложнение конструктивного исполнения изделий и рост плотности рассеиваемой тепловой мощности. Особенно остро данный вопрос стоит при проектировании мощных радиолокационных комплексов (наземных, авиационных, морских, космических). Что требует постоянного совершенствования эксплуатационных характеристик теплообменных устройств РЭА.

Для исследования выбран один из вариантов теплообменных устройств – термоплата. Конструктивно воздушная термоплата состоит из двух установочных приборных пластин, соединенных стержнями с изменяемым поперечным сечением по длине для образования эффективных теплообменных воздушных каналов. Охлаждение термоплаты с установленными на теплообменных поверхностях приборных пластин производится набегающим потоком воздуха, проходящего через теплообменные каналы термоплаты. Рассматриваем геометрическую модель термоплаты, основанную на фактических данных полученных при использовании методики адаптирования к аддитивным технология изготовления теплообменных устройств (рис.1).

_1

{Рисунок 1}

Рис. 1 Геометрическая модель термоплаты

Главные требования, которое предъявляется к термоплате, являются: эффективная геометрия воздушных каналов, при минимальных массогабаритных характеристиках; технологическая простота производства; возможность быстрой адаптации термоплаты под конкретные условия эксплуатации.

В настоящей статье рассмотрим вопрос решения нахождения наиболее эффективного варианта термоплаты вычислительным методом среди выбранных вариантов и проедение сравнение для выбранного образца вычислительных и экспериментальных данных, для верификации выбранного метода получения вычислительных данных.

Определение геометрии термоплаты вычислительным методом.

Основные геометрические параметры исследуемой термоплаты:

- диаметр стержня от 2 мм до 8 мм;

- диаметр оребрения стержня от 4 мм до 10 мм;

- высоты оребрения вдоль стержня от 1 мм до 2 мм.

Расстояние между оребрениями постоянное и составляет 4 мм (рис.2).

_2

Рис. 2 Геометрические параметры исследуемой модели термоплаты.

Рассматривается два варианта исполнения термоплаты: с оребрение в шахматном порядке (рис.3 а) и с оребрением на одном уровне (рис.3 б). Сводная таблица рассмотренных вариантов отражена в Таблице 1.

_3

а) б)

Рисунок 3 – Конструктивное исполнение стержней термоплаты: а) стержни с оребрением в один ряд; б) стержни с оребрением в шахматном порядке

Таблица 1 – Геометрические параметры выбранных расчетных вариантов термоплат.

п/п

Диаметр стержня,

мм

Шаг стержней поперечный,

мм

Диаметр оребрения,

мм

Высота оребрения,

мм

Шаг оребрения,

мм

Шаг стержней продольный,

мм

H

D

w

l

Стержни с оребрением на одном уровне

1

2

6

4

1

4

4

2

2

6

4

2

4

4

3

2

6

4

1

4

5

4

2

8

4

1

4

4

5

2

6

4

2

4

12

6

2

8

4

1

4

5

7

2

6

4

1

4

12

8

2

8

4

1

4

12

9

2

16

4

2

4

4

10

2

16

4

1

4

5

11

2

16

4

1

4

4

12

2

16

4

2

4

12

13

2

16

4

1

4

12

14

4

8

6

2

4

6

15

4

8

6

1

4

6

16

4

8

6

2

4

12

17

4

8

6

1

4

12

18

4

16

6

2

4

6

19

4

16

6

1

4

6

20

4

12

6

1

4

6

21

4

12

6

1

4

12

22

4

16

6

2

4

12

23

4

16

6

1

4

12

24

8

12

10

2

4

8

25

8

12

10

1

4

8

26

8

12

10

2

4

14

27

8

16

10

2

4

8

28

8

12

10

1

4

14

29

8

16

10

1

4

8

30

8

16

10

2

4

14

31

8

16

10

1

4

14

Стержни с оребрением в шахматном порядке

32

2

6

4

2

4

4

33

2

6

4

2

4

12

34

2

6

4

1

4

4

35

2

6

4

1

4

5

36

2

6

4

1

4

12

37

2

8

4

1

4

4

38

2

8

4

1

4

5

39

2

8

4

1

4

12

40

2

16

4

2

4

4

41

2

16

4

2

4

12

42

2

16

4

1

4

4

43

2

16

4

1

4

5

44

2

16

4

1

4

12

45

4

8

6

2

4

6

46

4

8

6

2

4

12

47

4

8

6

1

4

6

48

4

8

6

1

4

12

49

4

12

6

1

4

6

50

4

12

6

1

4

12

51

4

16

6

1

4

12

52

4

16

6

2

4

6

53

4

16

6

2

4

12

54

4

16

6

1

4

6

55

8

12

10

1

4

8

56

8

12

10

1

4

14

57

8

12

10

2

4

8

58

8

12

10

2

4

14

59

8

16

10

1

4

8

60

8

16

10

1

4

14

61

8

16

10

2

4

8

62

8

16

10

2

4

14

Конструкция термоплаты в обоих исполнениях является симметричной относительно двух плоскостей – продольной горизонтальной и продольной вертикальной. Тепловой поток в размере 40 Вт подводится равномерно к верхней и нижней поверхностям термоплаты (за аналог тепловыделяющего элемента взята нагруженная программируемая логическая интегральная схема). На радиатор набегает равномерный воздушный поток с температурой 25 градусов по шкале Цельсия.

Основные допущения:

- в качестве расчетной области берется периодический продольный проточный участок термоплаты, заключенный между двумя соседними рядами стержней (рис.4);

- по высоте берется половина модели (симметричная постановка);

- тепловой поток, приходящий на верхнюю поверхность (основание) термоплаты, равномерно распределяется по поверхности стержней, пропорционально площади;

- краевыми эффектами на периферии термоплаты пренебрегаем;

- на поверхности стержней набегает равномерный по скорости и температуре воздушный поток;

_4

Рисунок 4 – Отображение периодического симметричного участка конструкции термоплаты

В качестве рабочего тела принимается атмосферный воздух с постоянной плотностью ρ=1,22 кг/м³. Физические свойства взяты для условий:

- давление: 101325 Па;

- температура: 303 К.

При моделировании движения воздуха через термоплату решаются следующие уравнения [9 с.183-184,227]:

- уравнения неразрывности и уравнения импульсов для моделирования движения жидкости и газа;

- уравнения стандартной k-ε модели турбулентности;

- уравнение для турбулентной энергии k;

- уравнение для скорости диссипации турбулентной энергии ε.

Используются стандартные пристеночные функции на границе со стенкой.

При определении аэродинамического сопротивления в каналах термоплаты используется модель турбулентности KEFV [9 с.181-103], которая позволяет предсказывать ламинарно-турбулентный переход. Турбулентность развивается при обтекании стержней.

Итоговые исходные данные для расчета:

исполнение стержней с оребрением (2 варианта):

- Вариант 1 – оребрение в один ряд, 31 шт.;

- Вариант 2 – оребрение в шахматном порядке, 31 шт.

диапазон скорости потока:

- 10 м/с.

температура потока:

- 30 °С;

Итого: 62 расчетных случая.

Граничные условия

Граничные условия показаны на рисунке 5. При входе в расчетную область задана нормальная массовая скорость, равная произведению плотности воздуха на его скорость, на выходе – статическое давление. Потери давления в термоплате определяются как разность давлений на входе и выходе из расчетной области. Так как избыточное статическое давление на выходе P=0 из условия граничных условий, то потери давления определяются как давление на граничные условия Вход. Давление усредняется по площади входного сечения.

_5_01

Рисунок 5 – Граничные условия

Описание граничных условий представлено в таблице 2.

Таблица 2 – Граничные условия

Переменные

Тип

Значение

Граничное условие «Стенка»

Температура

Тепловой поток, Вт/м^2

Вар.1: 2800.85

Скорость

Логарифмический закон

Турб. Энергия

Значение в ячейке рядом со стенкой

Турб. Диссипация

Значение в ячейке рядом со стенкой

Граничное условие «Симметрия»

Скорость

Проскальзывание

Турб. Энергия

Нулевой градиент

Турб. Диссипация

Нулевой градиент

Граничное условие «Вход»

Температура

Температура, °С

Т

Скорость

Нормальная массовая скорость, кг/(м2с)

ρ•V

Турб. Энергия

Пульсации

0

Турб. Диссипация

Масштаб турбулентности

0

Граничное условие «Cвободный выход»

Скорость

Давление избыточное

0 Па

Турб. Энергия

Нулевой градиент

Турб. Диссипация

Нулевой градиент

Расчетная сетка

Используется равномерная начальная сетка в матрице термоплаты. По стенкам стержней проводится адаптация расчетной сетки (рис.6). Для разрешения градиентов давления и температуры проводится измельчение сетки – ее адаптация на 3-м уровнем по нагревающим поверхностям для всех вариантов. Уровень адаптации определялся при исследовании сходимости по сетке (рис.7).

Общее число расчетных ячеек зависит от геометрических характеристик варианта и скорости набегающего потока и варьируется от 4240000 ячеек.

Проводилось исследование сходимости по сетке для одного из вариантов геометрии термоплаты на выбранной скорости и температуре набегающего потока. Измельчение сетки путем адаптации по стержням и пластине с подведенным тепловым потоком проводилось последовательно при решении задачи; контролировались сила аэродинамического сопротивления стержней и средняя температура на поверхности стержня термоплаты, при заданном на их поверхности постоянном удельном тепловом потоке.

_6_01

Рисунок 6 – Картина течения на подробной сетке для скорости 10 м/с.

_7

Рисунок 7 – График изменения средней температуры на поверхности стержней при последовательной адаптации сетки по поверхности стержней.

Размер расчетной сетки в остальном исследовании варьируется от 265000 до 562000 расчетных ячеек. Расчет производился с использованием неявной схемы решения 2-го порядка точности. Температура подаваемого воздуха была снижена до 25 °С.

Результаты расчета математического моделирования

Результаты расчета представлены в виде зависимости потерь давления, средней температуры омываемой поверхности стержней термоплаты и средней температуры потока на выходе из области. Характер течения в канале представлен векторами скорости в среднем продольном сечении канала и цветовыми контурами статического (избыточного) давления.

C учетом получены данных составлена таблица 3.

Таблица 3 – Характеристики термоплат

п/п

Диаметр стержня,

мм

Шаг стержней поперечный,

мм

Диаметр оребрения,

мм

Высота оребрения,

мм

Шаг оребрения,

мм

Шаг стержней продольный,

мм

Перепад температуры,

К

Перепад полного давления,

Па

Площадь омываемой поверхности,

мм2

H

D

w

l

dT

dP

F

Стержни цилиндрические с шайбами на одном уровне

1

2

6

4

1

4

4

11,20

635,00

846,7

2

2

6

4

2

4

4

11,70

605,00

846,0

3

2

6

4

1

4

5

9,00

258,00

607,4

4

2

8

4

1

4

4

7,00

242,00

742,4

5

2

6

4

2

4

12

5,50

180,00

307,7

6

2

8

4

1

4

5

7,10

165,00

607,4

7

2

6

4

1

4

12

4,90

110,00

270,0

8

2

8

4

1

4

12

4,10

59,80

270,0

9

2

16

4

2

4

4

5,20

47,50

846,0

10

2

16

4

1

4

5

4,70

35,00

607,4

11

2

16

4

1

4

4

5,50

33,50

742,8

12

2

16

4

2

4

12

3,20

29,50

307,7

13

2

16

4

1

4

12

3,25

22,30

270,1

14

4

8

6

2

4

6

9,38

774,00

890,0

15

4

8

6

1

4

6

8,70

481,00

824,0

16

4

8

6

2

4

12

6,12

387,50

508,5

17

4

8

6

1

4

12

5,70

255,00

470,9

18

4

16

6

2

4

6

5,70

187,00

890,0

19

4

16

6

1

4

6

5,25

114,50

824,0

20

4

12

6

1

4

6

6,40

254,50

824,0

21

4

12

6

1

4

12

4,47

95,46

470,9

22

4

16

6

2

4

12

4,05

72,80

508,5

23

4

16

6

1

4

12

3,85

58,00

470,9

24

8

12

10

2

4

8

7,58

3060,00

1109,0

25

8

12

10

1

4

8

7,33

1110,00

1064,7

26

8

12

10

2

4

14

5,45

743,00

682,8

27

8

16

10

2

4

8

6,17

732,00

1109,0

28

8

12

10

1

4

14

5,25

488,00

654,5

29

8

16

10

1

4

8

6,00

486,00

1064,7

30

8

16

10

2

4

14

4,47

195,00

663,4

31

8

16

10

1

4

14

4,35

165,00

637,1

Стержни цилиндрические с шайбами в шахматном порядке

32

2

6

4

2

4

4

11,70

574,32

827,6

33

2

6

4

2

4

12

5,70

167,50

301,5

34

2

6

4

1

4

4

11,10

363,00

756,9

35

2

6

4

1

4

5

9,35

256,80

618,7

36

2

6

4

1

4

12

5,35

107,50

276,4

37

2

8

4

1

4

4

8,78

230,00

756,9

38

2

8

4

1

4

5

7,60

158,70

618,7

39

2

8

4

1

4

12

4,49

59,60

276,4

40

2

16

4

2

4

4

5,55

46,60

827,6

41

2

16

4

2

4

12

3,28

28,14

301,5

42

2

16

4

1

4

4

5,60

32,70

756,5

43

2

16

4

1

4

5

4,79

32,90

618,7

44

2

16

4

1

4

12

3,10

22,27

270,1

45

4

8

6

2

4

6

9,44

718,90

877,8

46

4

8

6

2

4

12

6,20

358,50

502,5

47

4

8

6

1

4

6

10,20

556,00

967,3

48

4

8

6

1

4

12

6,18

243,30

483,6

49

4

12

6

1

4

6

6,92

247,00

1101,0

50

4

12

6

1

4

12

7,56

158,60

618,7

51

4

16

6

1

4

12

3,28

21,85

276,2

52

4

16

6

2

4

6

5,60

186,00

877,8

53

4

16

6

2

4

12

4,00

71,20

502,5

54

4

16

6

1

4

6

5,65

108,70

841,6

55

8

12

10

1

4

8

7,80

958,30

1089,2

56

8

12

10

1

4

14

5,55

461,58

665,8

57

8

12

10

2

4

8

7,73

2174,00

1101,0

58

8

12

10

2

4

14

8,12

615,60

658,1

59

8

16

10

1

4

8

6,40

503,67

1089,2

60

8

16

10

1

4

14

4,58

162,10

648,7

61

8

16

10

2

4

8

6,21

697,87

1101,0

62

8

16

10

2

4

14

4,50

186,80

658,1

Анализ результатов

Из полного списка отобраны 8 (восемь) вариантов с самым высоким значением теплосъема (см. Таблице 4). Разница между максимальным и минимальным перепадами температуры составляет 2.7 градуса. При этом вариант конструкции с максимальным теплосъемом характеризуется большим аэродинамическим сопротивлением, а с меньшим теплосъемом меньшим сопротивлением выраженной в таблице 4 в виде перепада полного давления.

Таблица 4 – Характеристики термоплат, упорядоченных по перепаду температуры

п/п

Тип стержня термоплаты*

Диаметр стержня,

мм

Шаг стержней поперечный,

мм

Диаметр оребрения,

мм

Высота оребрения,

мм

Шаг оребрения,

мм

Шаг стержней продольный,

мм

Перепад температуры,

К

Перепад полного давления,

Па

Площадь омываемой поверхности,

мм2

H

D

w

l

dT

dP

F

2

о

2

6

4

2

4

4

11.7

605

846

32

ш

2

6

4

2

4

4

11.7

574.32

827.6

1

о

2

6

4

1

4

4

11.2

635

846.7

34

ш

2

6

4

1

4

4

11.1

363

756.9

45

ш

4

8

6

2

4

6

9.44

718.9

877.8

14

о

4

8

6

2

4

6

9.38

774

890

35

ш

2

6

4

1

4

5

9.35

256.8

618.7

3

о

2

6

4

1

4

5

9

258

607.4

* о – стержень с оребрением в один уровень по высоте

ш – стержень с оребрением в шахматном порядке по высоте

Сортировка результатов по нарастанию сопротивления показало два варианта обладающие низким значением перепада температуры и высоким значением сопротивления (см.Таблицу 5).

Таблица 5 – Характеристики термоплат, упорядоченных по перепаду полного давления

п/п

Тип стержня термоплаты*

Диаметр стержня,

мм

Шаг стержней поперечный,

мм

Диаметр оребрения,

мм

Высота оребрения,

мм

Шаг оребрения,

мм

Шаг стержней продольный,

мм

Перепад температуры,

К

Перепад полного давления,

Па

Площадь омываемой поверхности,

мм2

H

D

w

l

dT

dP

F

35

ш

2

6

4

1

4

5

9.35

256.8

618.7

3

о

2

6

4

1

4

5

9

258

607.4

34

ш

2

6

4

1

4

4

11.1

363

756.9

32

ш

2

6

4

2

4

4

11.7

574.32

827.6

2

о

2

6

4

2

4

4

11.7

605

846.0

1

о

2

6

4

1

4

4

11.2

635

846.7

45

ш

4

8

6

2

4

6

9.44

718.9

877.8

14

о

4

8

6

2

4

6

9.38

774

890

Фильтрация по площади омываемой поверхности показала расположение на первых строках вариантов (см.Таблицу 7), как и при анализе аэродинамической эффективности (см.Таблицу 6).

Таблица 6 – Характеристики термоплат, упорядоченных по площади омываемой поверхности

п/п

Тип стержня термоплаты*

Диаметр стержня,

мм

Шаг стержней поперечный,

мм

Диаметр оребрения,

мм

Высота оребрения,

мм

Шаг оребрения,

мм

Шаг стержней продольный,

мм

Перепад температуры,

К

Перепад полного давления,

Па

Площадь омываемой поверхности,

мм2

H

D

w

l

dT

dP

F

3

о

2

6

4

1

4

5

9.00

258.00

607.4

35

ш

2

6

4

1

4

5

9.35

256.80

618.7

34

ш

2

6

4

1

4

4

11.10

363.00

756.9

32

ш

2

6

4

2

4

4

11.70

574.32

827.6

2

о

2

6

4

2

4

4

11.70

605.00

846.0

1

о

2

6

4

1

4

4

11.20

635.00

846.7

45

ш

4

8

6

2

4

6

9.44

718.9

877.8

14

о

4

8

6

2

4

6

9.38

774

890

Т.о. в результате фильтрации остались варианты, отличающиеся наибольшим теплосъемом, а также минимальным сопротивлением для обеспечения большей раскрутки вентилятора (см.Таблицу 7). Данные варианты рекомендуются к изготовлению.

Таблица 7 – Характеристики термоплат, рекомендуемых для изготовления

п/п

Тип стержня термоплаты*

Диаметр стержня,

мм

Шаг стержней поперечный,

мм

Диаметр оребрения,

мм

Высота оребрения,

мм

Шаг оребрения,

мм

Шаг стержней продольный,

мм

Перепад температуры,

К

Перепад полного давления,

Па

Площадь омываемой поверхности,

мм2

H

D

w

l

dT

dP

F

35

ш

2

6

4

1

4

5

9.35

256.8

618.7

3

о

2

6

4

1

4

5

9.00

258

607.4

34

ш

2

6

4

1

4

4

11.10

363

756.9

32

ш

2

6

4

2

4

4

11.70

574.32

827.6

2

о

2

6

4

2

4

4

11.70

605

846

По большинству характеристик оптимальным признан вариант отображенный в таблице 8.


Таблица 8 – Характеристики термоплаты оптимальной по большинству параметров

п/п

Тип стержня термоплаты*

Диаметр стержня,

мм

Шаг стержней поперечный,

мм

Диаметр оребрения,

мм

Высота оребрения,

мм

Шаг оребрения,

мм

Шаг стержней продольный,

мм

Перепад температуры,

К

Перепад полного давления,

Па

Площадь омываемой поверхности,

мм2

H

D

w

l

dT

dP

F

34

ш

2

6

4

1

4

4

11.10

363

756.9

Визуализация термодинамических характеристик лучших вариантов представлена на рисунке 8-10.

_8

_9_01

а)

_10 _11

б)

Рисунок 8 – Вариант 3: распределение основных термодинамических переменных в продольной плоскости симметрии изделия:

а) модуль скорости, м/с; б) перепад температуры, К

_12

_13

а)

14

_15_01

б)

Рисунок 9 – Вариант 34: распределение основных термодинамических переменных в продольной плоскости симметрии изделия:

а) модуль скорости, м/с; б) перепад температуры, К

_16

_17

а)

_18 _19

б)

Рисунок 10 – Вариант 35: распределение основных термодинамических переменных в продольной плоскости симметрии изделия:

а) модуль скорости, м/с; б) перепад температуры, К

Экспериментальная оценка результатов вычислительного метода.

При отработке технологии печати на принтере EOS M290 была напечатана опытная термоплата из алюминиевого сплава AlSi10 (рис. 13). EOS M 290 эталонная аддитивная установка в линейке EOS, предназначенная для 3D-печати методом прямого лазерного спекания металлических порошков (DMLS). Спекание осуществляется в инертной атмосфере аргона атмосфере с помощью иттербиевого волоконного лазера мощностью 400 Вт.

_20

Рисунок 13 – Опытный образец термоплаты №1 (без боковых стенок)

В первых напечатанных образцах термоплаты №1 был выявлен геометрический дефект, из-за отсутствия поддержек в области пластин основания термоплаты расстояние между штырями уменьшалось. Экспериментально доказано, что наличие горизонтальных нависающих поверхностей длинной более 3 мм приводит к дефектам при печати термоплаты, в связи с этим явлением рекомендовано при производстве термоплат делать самоподдерживающие структуры.

После полученного результата была произведена печать выбранного геометрического варианта 34, при печати использовались полученные ранее результаты и методические основы автоматизированного проектирования теплообменных устройств РЭА при производстве методом аддитивных технологий [1,с.9-15; 2, с.4-10; 10 с.32, 157-173 ;11, с.8-12] (См.рис.14).

_21

Рисунок 14 – Опытный образец термоплаты №2 (без боковых стенок)

Для подтверждения расчетных данных характеристик полученного образца термоплаты была разработана схема установки для испытаний (рис.15).

_22

а)

_23

б)

Рисунок 15 - Схема установки для испытаний:

а) вид 1 б) вид 2

Помимо испытания опытного образца термоплаты на соответствие расчетным данным, проводился поиск наиболее эффективного охлаждения для выполнения заданных условий по температуре поверхности пластин входящего и выходящего потока воздуха.

Режимы и время проведенных испытаний опытного образца термоплаты:

Время измерения

Мощность нагревателя

Температура установочных приборных пластин термоплаты

Температура воздуха

Скорость потока воздуха

Объем расхода воздуха

Примечание

W1

W2

Тп1

Тп2

Тп3

Тп4

Тп5вх

Тп6вых

ʋвх

ʋвых

Q вх

Qвых

Вт

оС

м/сек

м3

11:20

23,3

21,4

21,8

21,8

24,2

22,9

10,0

6,2

31,0

19,6

13:48

20

20

32,0

31,8

32,9

30,9

24,3

27,8

10,0

6,0

31,0

19,3

Испытания проводились при температуре воздуха (22-24) оС

14:03

20

20

32,2

32,6

33,2

31,1

24,4

28,1

10,0

6,0

31,0

19,2

14:18

20

20

32,2

32,6

33,2

31,2

24,4

28,1

10,0

6,0

31,0

19,2

14:33

20

20

32,3

32,7

33,3

31,3

24,4

28,0

10,0

6,2

31,0

20,0

14:45

40

40

39,5

40,4

41,9

38,8

24,4

33,0

10,0

6,2

31,0

20,0

14:55

40

40

40,6

41,3

43,0

39,4

24,4

33,9

10,1

6,3

31,0

20,0

15:05

40

40

40,6

41,3

43,0

39,6

24,4

34,9

10,0

6,3

31,0

20,0

15:15

40

40

40,8

41,3

43,0

39,7

24,3

34,9

10,0

6,3

31,0

20,0

15:25

40

40

40,9

41,3

43,0

39,7

24,3

35,1

10,0

6,2

31,0

20,0

15:35

40

40

41,2

41,3

43,0

39,7

24,2

35,2

10,0

6,2

31,0

20,0

15:45

40

40

41,2

41,3

43,0

39,8

24,2

34,2

10,0

6,2

31,0

20,0

Установили скорость потока воздуха на выходе 3,2 м/с (ʋвых = 3,2 м/с)

3,2

10,4

10,5 м3/ч, 18,20Гц

15:57

40

40

50,9

51,3

52,9

51,8

23,8

45,6

3,2

10,4

16:07

40

40

52,2

52,4

54,2

53,4

23,7

46,6

3,2

10,4

16:17

40

40

52,5

52,4

54,5

53,9

23,5

46,7

3,2

10,4

16:27

40

40

52,5

52,3

54,5

54,0

23,5

46,6

3,2

10,4

16:37

40

40

52,5

52,3

54,4

54,1

23,4

46,5

3,2

10,4

Испытания при скорости выходного потока ʋвых = 2,6 м/с

10:55

40

40

68,5

67,9

68,7

70,3

23,2

59,2

2,6

6,2

11:05

40

40

68,5

67,9

68,7

70,3

23,2

59,2

2,6

6,2

Заключение по результатам расчетного сопоставления и испытаний образцов термоплаты

Смоделирована и выбрана эффективная форма термоплаты из расчетных вариантов, отобран наиболее эффективный вариант и изготовлены при помощи аддитивных технологий опытные образцы термоплаты.

Собрана испытательная установка и проведен цикл исследовательских испытаний.

Нижний предел скоростного потока воздуха при допустимой температуре рабочей поверхности пластин ≤ 70 оС и подводимой мощности 80 Вт лежит в пределах 3 м/с. Устоявшаяся разница температур для опытного образца термоплаты при подаче воздушного потока ʋвых = 10 м/с равна 11 оС, что соответствует полученным расчетным данным (погрешность не более 1%). Результаты исследовательских испытаний опытного образца термоплаты подтверждают правильность выбранного расчетного метода определения эффективной конструкции термоплаты, изготовленной методом аддитивных технологий, для обеспечения заданныйх условий эксплуатации изделия РЭА.

Библиография
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
References
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.

Результаты процедуры рецензирования статьи

Рецензия скрыта по просьбе автора

Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.