【摘要】：自主研發(fā)南極科考支撐平臺(tái)對(duì)于可靠保障我國在南極內(nèi)陸地區(qū)開展科學(xué)研究具有重要的戰(zhàn)略意義。支撐平臺(tái)主要包括發(fā)電艙和儀器艙兩部分,其中,發(fā)電艙負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)科考支撐平臺(tái)的能源供給,儀器艙則主要實(shí)現(xiàn)氣象探測(cè)、數(shù)據(jù)通訊、現(xiàn)場(chǎng)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(duì)于南極高寒環(huán)境下的平臺(tái)運(yùn)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(tái)艙體的保溫提供重要熱源。但是,倘若不對(duì)艙內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行合理組織,艙內(nèi)熱空氣上升而冷氣體集聚在艙體下部,這將導(dǎo)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(jìn)而影響艙內(nèi)儀器設(shè)備的正常工作。再者,目前對(duì)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(qiáng)變化對(duì)艙內(nèi)空氣流動(dòng)與換熱的影響機(jī)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(bào)道。為此,本文基于南極Dome A地區(qū)典型的極寒、低氣壓的環(huán)境特點(diǎn),建立了南極科考支撐平臺(tái)發(fā)電艙和儀器艙艙內(nèi)空氣流動(dòng)傳熱及設(shè)備器件換熱的理論模型并進(jìn)行數(shù)值求解,獲得了環(huán)境條件、功耗等因素對(duì)艙內(nèi)溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)的影響特性。為進(jìn)一步揭示低氣壓環(huán)境下艙體內(nèi)的傳熱機(jī)理,本文設(shè)計(jì)搭建低壓環(huán)境電子器件換熱特性測(cè)試平臺(tái),實(shí)驗(yàn)研究了影響艙內(nèi)器件換熱特性的多個(gè)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(tái)艙體(發(fā)電艙與儀器艙)內(nèi)空氣流動(dòng)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(qiáng)的減小,柴油機(jī)組附近空氣溫度逐漸升高。在豎直方向上,越靠近艙體頂部,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(qiáng)、柴油機(jī)發(fā)熱量以及外部環(huán)境溫度等因素影響。柴油機(jī)散熱量增加、環(huán)境溫度升高時(shí),艙內(nèi)空氣溫度升高。(2)在儀器艙內(nèi),隨環(huán)境壓強(qiáng)的減小,艙內(nèi)空氣對(duì)流換熱能力減弱,散熱設(shè)備的表面溫度呈升高趨勢(shì)。儀器艙內(nèi)外氣體交換主要靠空氣對(duì)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)電子器件換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究表明：(1)大氣壓強(qiáng)降低的直接體現(xiàn)是空氣密度減小,這將導(dǎo)致電子器件與環(huán)境之間對(duì)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(qiáng)越低,對(duì)流換熱的能力衰減越快。(2)低壓工況下強(qiáng)制對(duì)流能顯著增強(qiáng)器件換熱能力,降低器件表面最大溫度。采用強(qiáng)制對(duì)流換熱時(shí),空氣流動(dòng)性增強(qiáng)可彌補(bǔ)因壓強(qiáng)減小而造成的散熱弱化。(3)隨環(huán)境壓強(qiáng)的減小,空氣的對(duì)流換熱能力減弱,這使得器件與環(huán)境之間達(dá)到熱平衡所用的時(shí)間增加,故器件熱響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)增大。導(dǎo)熱系數(shù)及熱容當(dāng)量比是影響器件熱時(shí)間常數(shù)的內(nèi)在因素。具體來講,導(dǎo)熱系數(shù)越大、熱容當(dāng)量比越小,器件熱響應(yīng)過程的時(shí)間常數(shù)越小。本文較為深入地研究了南極科考支撐平臺(tái)發(fā)電艙及儀器艙艙內(nèi)空氣流動(dòng)與傳熱過程,揭示了環(huán)境壓強(qiáng)變化對(duì)艙內(nèi)空氣流動(dòng)與換熱的影響機(jī)制,并實(shí)驗(yàn)獲得了環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)艙內(nèi)器件表面溫度及熱響應(yīng)過程的影響規(guī)律,對(duì)于保障南極科考支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)與運(yùn)行具有重要意義。
[Abstract]:Independent research and development of Antarctic scientific research support platform is of great strategic significance to ensure the reliable development of scientific research in the Antarctic inland area of China.The support platform mainly includes two parts: power generation cabin and instrument cabin. A large number of equipments and devices are integrated in the power cabin and the instrument cabin. The primary task of the platform operation in the Antarctic cold environment is to keep warm. The equipment in the cabin generates a lot of heat during the work process, which can provide an important heat source for the insulation of the platform cabin. However, if the air flow in the cabin is not properly organized, Hot air rises in the cabin and cold gas gathers in the lower part of the cabin, which will lead to the unbalanced temperature distribution in the cabin, which will lead to local overcooling or overheating in the cabin, and then affect the normal operation of the cabin instruments and equipment. Moreover, the current research on the heat transfer characteristics of the cabin equipment and devices is mainly focused on atmospheric environmental conditions, and the change of environmental pressure in the cabin. The influence mechanism of air flow and heat transfer is still unclear, and it is rare to study the multi-heat source coupled heat transfer of equipment and devices in the cabin under the conditions of Antarctic low temperature and low atmospheric pressure. The theoretical models of air flow heat transfer and equipment heat transfer are solved numerically, and the effects of environmental conditions, power consumption and other factors on temperature field and velocity field in cabin are obtained. In general, the main research contents and conclusions of this paper are as follows: The numerical study of air flow and heat transfer in the cabin of Antarctic scientific research support platform (power cabin and instrument cabin) shows that: (1) in the power cabin, with the decrease of ambient pressure, the air temperature near the diesel engine set decreases. In the vertical direction, the nearer to the top of the cabin, the higher the average temperature of the section. The air temperature in the power cabin is affected by the environmental pressure, the heat of the diesel engine and the temperature of the external environment. The gas exchange inside and outside the instrument cabin is mainly accomplished by air convection. Compared with the power generation cabin, the air flow rate is smaller, so the cabin temperature level is higher. The experimental results show that: (1) the decrease of atmospheric pressure is directly reflected by the decrease of air density, which will weaken the convective heat transfer capability between electronic devices and the environment, and increase the surface temperature after the device works stably. Forced convection can significantly enhance the heat transfer capability and reduce the maximum surface temperature of the device under low pressure. When forced convection is used, the enhancement of air fluidity can compensate for the weakening of heat dissipation caused by the decrease of pressure. (3) With the decrease of ambient pressure, the convective heat transfer capability of the air decreases, which makes the device reach a heat balance with the environment. Thermal conductivity and heat capacity equivalent ratio are the internal factors affecting the thermal time constant of the device. Specifically, the larger the thermal conductivity, the smaller the heat capacity equivalent ratio, and the smaller the time constant of the thermal response process of the device. The influence mechanism of ambient pressure on the air flow and heat transfer in the cabin is revealed. The influence of ambient pressure on the surface temperature and thermal response of the devices in the cabin is obtained experimentally, which is of great significance to the design and operation of the Antarctic scientific research support platform.
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK124

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本文編號(hào)：2202798