МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА ВНУТРИ ГЕРМЕТИЧНОГО КОРПУСА БИНС В МУЛЬТИФИЗИЧНОЙ ПОСТАНОВКЕ В ANSYS CFX И SYSTEM COUPLING

  • А.А. Медельцев АО «ЦНИИАГ»
  • П. А. Шаповалов АО «ЦНИИАГ»
  • М. В. Воронов АО «ЦНИИАГ»
  • А. И. Полухина АО «ЦНИИАГ»
  • П.Н. Сигалева АО «ЦНИИАГ»
  • А.В. Фролов АО «ЦНИИАГ»
Ключевые слова: Численное моделирование, метод конечных элементов, ANSYS, CFX, System Coupling, БИНС, естественная конвекция в герметичном объёме, сопряжённый теплообмен, охлаждение электронных компонентов

Аннотация

В настоящей работе рассматривается численное моделирование нестационарного
конвективно-кондуктивного теплообмена бесплатформенной инерциальной навигационной
системы высокоманевренного летательного аппарата (БИНС ВЛА), разработанной в
АО «ЦНИИАГ», с использованием расчётного комплекса ANSYS. Целью исследования явля-
ется всесторонний анализ теплообменных процессов, характерных для функционирования
прибора, в том числе взаимного пространственного влияния источников тепловых мощно-
стей друг на друга, а также на блок чувствительных элементов. Моделирование теплооб-
мена внутри герметичного корпуса прибора проведено для критических условий функцио-
нирования (в рассматриваемом случае обусловлены нагревом элементов прибора) в сильно и
слабо сопряжённой постановках с последующим сравнением результатов применения обо-
их подходов. Для программной реализации каждого подхода были выбраны модули пакета
прикладных программ ANSYS: Mechanical, CFX, System Coupling. Выбрана k-e модель тур-
булентности воздуха с неявным учётом эффекта в пограничных слоях и корректировкой
диффузии в сдвиговых течениях. Учтён внешний естественный теплообмен с окружаю-
щим воздухом посредством задания конвективных граничных условий на внешние поверхно-
сти прибора. Для получения численных значений коэффициентов теплоотдачи была при-
нята во внимание ориентация каждой поверхности в пространстве благодаря использова-
нию соответствующего коэффициента. С помощью расчёта термических сопротивлений
были учтены потери мощности, возникающие ввиду наличия неровностей на поверхностях
прибора в контактах между твердотельными компонентами с использованием термиче-
ских сопротивлений фактического контакта и межконтактной прослойки. Графически
представлены результаты моделирования деформированного состояния несущей системы
прибора, возникающего вследствие действия несимметричного температурного поля в
нагретом приборе. Проведён анализ полученных графиков. Определены показатели жёст-
кости несущей системы прибора – углы отклонения взаимной ортогональности чувстви-
тельных элементов, а именно акселерометров и датчиков угловой скорости (ВОГ – воло-
конно-оптических гироскопов), возникающие вследствие тепловых деформаций. Получен-
ные результаты позволили оценить технические решения по качеству теплоотвода от
элементов плат в обход чувствительных элементов прибора, принятых на этапе компо-
новки компонентов изделия.

Литература

1. Gurskiy B.G., Lyushanov E.P., Spirin E.P. Osnovy teorii sistem upravleniya vysokotochnykh
raketnykh kompleksov Sukhoputnykh voysk [Fundamentals of the theory of control systems of
high-precision missile systems of the Ground Forces]. Moscow: MGTU im. N.E. Baumana, 2001.
2. Bromberg P.V. Teoriya inertsial'nykh navigatsionnykh system [Theory of inertial navigation
systems]. Moscow: Nauka, 1979, 296 p.
3. Lipton A. Vystavka inertsial'nykh sistem na podvizhnom osnovanii [Exhibition of inertial systems
on a movable base]. Moscow: Nauka, 1971.
4. Salychev O.S. Applied Inertial Navigation: Problems and Solutions. Moscow: BMSTU Press, 2004.
5. Medel'tsev A.A., Frolov A.V., Smirnov S.V. Chislennoe modelirovanie zhestkosti i prochnosti
nesushchikh konstruktsiy perspektivnoy BINS pod deystviem kompleksa
termomekhanicheskikh faktorov [Numerical modeling of stiffness and strength of load-bearing
structures of promising BINS under the action of a complex of thermomechanical factors], Sb.nauchnykh trudov «Nauka i tekhnologii»: Mater. XLI Vserossiyskoy konferentsii,
posvyashchennoy 60-letiyu poleta Yu.A. Gagarina v kosmos [Collection of scientific papers
"Science and Technology": Mater. XLI All-Russian Conference dedicated to the 60th anniversary
of Yuri Gagarin's flight into space]. Moscow: RAN, 2021.
6. Medel'tsev A.A., Savvateev D.O., Titkov E.I. i dr. Opyt optimizatsii konstruktsii samopritselivayushcheysya
BINS vysokomanevrennogo letatel'nogo apparata [Experience in optimizing
the design of a self-aiming BINC of a highly maneuverable aircraft], Izvestiya Tul'skogo
gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Proceedings of Tula State University.
Technical sciences], 2021, Issue 1
7. Frolov A.V., Smirnov S.V., Popov E.A. Issledovaniya vliyaniya teploty na stabil'nost' osey
nesushchey sistemy bloka akselerometrov BINS [Studies of the influence of heat on the stability
of the axes of the carrier system of the BINS accelerometer block], XXVII Sanktpeterburgskaya
mezhdunarodnaya konferentsiya po integrirovannym sistemam [XXVII St. Petersburg
International Conference on Integrated Systems], 2020.
8. ANSYS CFX 2021 R1 User Guide. August 2021. ANSYS Inc.
9. ANSYS Mechanical 2021 R1 User Guide. August 2021. ANSYS Inc.
10. Lutts M. Izuchaem Python, mnogotom [Learning Python, multi-volume]. 5 ed.: transl. from
engl. Saint Petersburg: OOO «Dialektika», 2019.
11. Lykov A.V. Teplomassoobmen (Spravochnik) [Heat and mass transfer (Directory)]. 2 ed. Moscow:
Energiya, 1978, 480 p.
12. ANSYS Meshing 2021 R1 User Guide. August 2021. ANSYS Inc.
13. Kukhtin A.S. Opredelenie koeffitsienta teplootdachi obraztsov dlya eksperimental'nykh
issledovaniy usloviy teplovogo samovozgoraniya [Determination of the heat transfer coefficient
of samples for experimental studies of thermal spontaneous combustion conditions],
Pozharovzryvobezopasnost'. Ser. Protsessy goreniya [Fire and explosion safety. Ser. Gorenje
processes], 2004, No. 2.
14. Isaev S.I., Kozhinov I.A., Kofanov V.I. i dr. Teoriya teplomassoobmena: uchebnik dlya
tekhnicheskikh universitetov i vuzov [Theory of heat and mass transfer: textbook for technical
universities and universities], ed. by A.I. Leont'eva. 2 ed. Moscow: Izd-vo MGTU im.
N.E. Baumana, 1997, 683 p.
15. ANSYS CFX 2021 R1 Theory Guide. August 2021. ANSYS Inc.
16. Dul'nev G.N., Parfenov V.G., Sigalov A.V. Metody rascheta teplovogo rezhima priborov
[Methods of calculating the thermal regime of devices]. Moscow: Radio i svyaz', 1990, 312 p.
17. Popov V.M. Teploobmen v zone kontakta raz"emnykh i neraz"emnykh soedineniy [Heat exchange
in the contact zone of detachable and non-removable joints]. Moscow: Energiya, 1971, 216 p.
18. Madera A.G. Matematicheskoe modelirovanie konvektivnogo teploperenosa v elektronnykh
ustroystvakh [Mathematical modeling of convective heat transfer in electronic devices],
Programmnye produkty i sistemy [Software products and systems], 2011.
19. Rotkop L.L., Spokoynyy Yu.E. Obespechenie teplovykh rezhimov pri konstruirovanii
radioelektronnoy apparatury [Provision of thermal modes in the design of radio-electronic
equipment]. Moscow: Sov. radio, 1976.
20. Volovikov V.V., Dekterev M.L., Kofanov Yu.N. i dr. Issledovanie teplovykh kharakteristik REA
s primeneniem programmnogo kompleksa TRiANA: monografiya [Investigation of thermal
characteristics of REA using the TRiANA software package: monograph]. Moscow: Izd-vo
«DMK Press», 2014.
Опубликован
2022-04-21
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ II. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ