Моделирование процессов тепломассопереноса в микроканальных теплообменниках систем управления космической техники

Моделирование процессов тепломассопереноса в микроканальных теплообменниках систем управления космической техники

Автор: Коновалов Д.А., Кожухов Н.Н., Дроздов И.Г.

Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau

Рубрика: Авиационная и ракетно-космическая техника

Статья в выпуске: 1 т.17, 2016 года.

Бесплатный доступ

Представлено исследование тепломассобмена в микроканалах на основе нитевидных монокристаллов кремния теплообменных элементов для телекоммуникационных систем космической техники, модулей управления наземного базирования. Целью настоящей работы является разработка математических моделей и проведение численного моделирования тепломассопереноса для микроканального теплообменника гибридной системы тепловой защиты на основе монокристаллов кремния. Система тепловой защиты должна обеспечивать стабильную работу электронного оборудования в широком диапазоне температур окружающего воздуха (от -40 до +60 °С), а термостатирование должно находиться в пределах ±0,1 °С. При этом массогабаритные характеристики теплообменника соотнесены с размерами электронных компонентов. Предложен вариант теплообменника на основе матрицы из нитевидных кристаллов кремния, который позволяет создать развитую поверхность, обеспечивая высокий теплосъем до 100 Вт/см2. По разработанной технологии произведены опытные образцы. Разработана математическая модель, наиболее полно описывающая процессы тепломассопереноса в микроканальных теплообменниках, определены корректные граничные условия. Проведено численное моделирование процессов тепло- и массопереноса. Построены зависимости перепада давления, температуры от расхода охладителя, определены подходы для нахождения геометрических характеристик эффективного ребра на основе монокристаллов. Определены зависимости температур монокристаллического ребра от его высоты и пространственного расположения. Исследованы критические режимы работы системы. С целью оптимизации теплогидравлических характеристик предложены новые конструкции теплообменных элементов из монокристалла кремния для проведения дальнейших исследований.

Еще

Компактный теплообменник, развитая поверхность теплообмена, монокристалл кремния, система термостатирования, тепловая защита

Короткий адрес: https://sciup.org/148177531

IDR: 148177531

Список литературы Моделирование процессов тепломассопереноса в микроканальных теплообменниках систем управления космической техники

  • Интенсификация тепло-и массообмена на макро-, микро-и наномасштабах: монография/Б. В. Дзюбенко //М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2008. 532 с.
  • Разработка и моделирование микроканальных систем охлаждения: монография/Д. А. Коновалов //Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2013. 222 с.
  • Определение перспективных направлений создания гибридных теплообменников для систем охлаждения электронной аппаратуры и оценка эффективности их работы/И. Г. Дроздов //Российская национальная конференция по теплообмену: материалы пятой Рос. нац. конф. по теплообмену (25-29 окт. 2010, г. Москва). В 8 т. Т. 8/Московский энергетический ин-т (технический ун-т). 2010. С. 151-154.
  • Об одном подходе к созданию модели интегрированного теплообменника/Д. П. Шматов //Тепловые процессы в технике. 2012. Т. 4, № 5. С. 205-208.
  • Моделирование нестационарного теплообмена в пористых элементах систем тепловой защиты с использованием программного комплекса FLOWVISION/Д. А. Коновалов //Вестник ВГТУ. 2011. Т. 7, № 4. С. 143-147.
  • Пат. 58788 Российская Федерация. МПК7 H 01 L 23/34. Устройство охлаждения для электронных компонентов/Дроздов И. Г., Кожухов Н. Н., Мозговой Н. В., Коновалов Д. А., Шматов Д. П. № 2006113838/22; заявл. 24.04.2006; опубл. 27.11. 2006, Бюл. № 33. 5 с.
  • Пат. 51441 Российская Федерация. МПК7 H 01 L 23/34. Устройство охлаждения электронных компонентов/Дроздов И. Г., Мозговой Н. В., Шматов Д. П., Кожухов Н. Н. № 2005121936/22; заявл. 11.07.2005; опубл. 10.02.2006, Бюл. № 4. 4 с.
  • Пат. 2440641 Российская Федерация. МПК7 H 01 L 23/34. Устройство отвода теплоты от кристалла полупроводниковой микросхемы/Савинков А. Ю., Дроздов И. Г., Шматов Д. П., Дахин С. В., Коновалов Д. А., Кожухов Н. Н., Небольсин В. А. № 2010146036/28; заявл. 10.11.2010; опубл. 20.01.2012, Бюл. № 2. 12 с.
  • Исследование нестационарного теплообмена в микроканальных теплообменных элементах на основе нитевидных кристаллов кремния/Д. А. Коновалов //Российская национальная конференция по теплообмену: материалы шестой Рос. нац. конф. по теплообмену (27-31 окт. 2014, г. Москва). В 8 т. Т. 3/Московский энергетический ин-т (технический ун-т). 2014. С. 71-72.
  • Моделирование процессов гидродинамики течения охладителя в наноструктурах на основе нитевидных кристаллов кремния/Д. А. Коновалов //Вестник ВГТУ. 2013. Т. 9, № 3. С. 30-37.
  • Белов К. И., Жуков В. М., Кузма-Кичта Ю. А. Интенсификация теплообмена при кипении жидкостей на сферах с керамическими субмикронными покрытиями на основе AL2O3//Школа-семинар: материалы школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева (24-29 мая 2015, г. Звенигород)/Московский энергетический ин-т (технический ун-т). 2015. С. 281-284.
  • Исследование кипения при естественной циркуляции в трубе с рельефом из наночастиц/Ю. А. Кузма-Кичта //Российская национальная конференция по теплообмену: материалы шестой Рос. нац. конф. по теплообмену (27-31 окт. 2014, г. Москва). В 8 т. Т. 2/Московский энергетический ин-т (технический ун-т), 2014. С. 55-56.
  • Ribatski G. A Critical overview on the recent literature concerning flow boiling and two-phase flows inside microscale channels//Exp. Heat Trans. 2013.
  • 26 (2-3). Рр. 198-246.
  • Белов И. А., Исаев С. А. Моделирование турбулентных течений: учеб. пособие/Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2001. 106 с.
  • Морозов И. И., Ляскин А. С. Введение в численные методы вычислительной гидроаэродинамики: учеб. пособие. Самара: Изд-во СГАУ, 2011. 65 с.
  • Гарбарук А. В., Стрелец М. Х., Шур М. Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Санкт-Петерб. политехн. ун-та, 2012. 88 с.
  • Грицкевич М. С. Гарбарук А. В. Некоторые особенности применения гибридных RANS-LES подходов при расчете турбулентных течений на неструктурированных сетках//Школа-семинар: материалы школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева (24-29 мая 2015, г. Звенигород)/Московский энергетический ин-т (технический ун-т). 2015. С. 40-44.
  • Dzyubenko B. V., Kuzma-Kichta Yu. A.,Leont’ev A. I., Fedik I. I., Kholpanov L. P. Intensifikatsiya teplo-i massoobmena na makro-, mikro-i nanomasshtabakh. . Moscow, FGUP “TsNIIATOMINFORM” Publ., 2008, 532 p.
  • Konovalov D. A., Drozdov I. G., Shmatov D. P., Dakhin S. V., Kozhukhov N. N. Razrabotka i modelirovanie mikrokanal’nykh sistem okhlazhdeniya .Voronezh, VSTU Publ., 2013, 222 p.
  • Drozdov I. G., Konovalov D. A., Shmatov D. P., Kozhukhov N. N., Dakhin S. V. . Trudy pyatoy Rossiyskoy natsional’noy konferentsii po teploobmenu. . Moscow, 2010, Vol. 8, P. 151-154 (In Russ.).
  • Shmatov D. P., Drozdov I. G., Konovalov D. A., Dakhin S. V., Kozhukhov N. N. . Teplovye processy v tehnike. 2012, Vol. 4, No 5, P. 205-208 (In Russ.).
  • Konovalov D. A., Shmatov D. P., Drozdov I. G., Dakhin S. V. . Vestnik VGTU. 2011, Vol. 7, No 4, P. 143-147 (In Russ.).
  • Drozdov I. G., Kozhukhov N. N., Mozgovoy N. V., Konovalov D. A., Shmatov D. P. Ustroystvo okhlazhdeniya dlya elektronnykh komponentov . Patent RF, No. 58788, 2006.
  • Drozdov I. G., Mozgovoy N. V., Shmatov D. P., Kozhukhov N. N. Ustroystvo okhlazhdeniya elektronnykh komponentov . Patent RF, No. 51441, 2006.
  • Savinkov A. Yu., Drozdov I. G., Shmatov D. P., Dakhin S. V., Konovalov D. A., Kozhukhov N. N., Nebol’sin V. A. Ustroystvo otvoda teploty ot kristalla poluprovodnikovoy mikroskhemy . Patent RF, No. 2440641, 2012.
  • Konovalov D. A., Lazaren’ko I. N., Shmatov D. P., Drozdov I. G. [The study of unsteady heat transfer in microchannel heat transfer elements with whiskers
  • of silicon]. Trudy shestoy Rossiyskoy natsional’noy konferentsii po teploobmenu. . Moscow, 2014, Vol. 3, P. 71-72 (In Russ.).
  • Konovalov D. A., Lazarenko I. N., Drozdov I. G., Shmatov D. P. . Vestnik VGTU. 2013. Vol. 9. No 3, P. 71-72 (In Russ.).
  • Belov K. I., Zhukov V. M., Kuzma-Kichta Yu. A. . Trudy XX Shkoly-seminara molodykh uchenykh i spetsialistov pod rukovodstvom akademika RAN A. I. Leont’eva. . Moscow, 2015, P. 281-284 (In Russ.).
  • Kuzma-Kichta Yu. A., Lavrikov A. V., Stenina N. A., J. Hammershmit Sh. Sholl’ . Trudy shestoy Rossiyskoy natsional’noy konferentsii po teploobmenu. . Moscow, 2014, Vol. 2, P. 55-56 (In Russ.).
  • Ribatski G. A Critical overview on the recent literature concerning flow boiling and two-phase flows inside microscale channels. Experimental Heat Transfer, 2013, 26 (2-3), P. 198-246.
  • Belov I. A., Isaev S. A. Modelirovanie turbulentnykh techeniy . 2001, St.Petersburg, BGTU Publ., 106 p.
  • Morozov I. I., Lyaskin A. S. Vvedenie v chislennye metody vychislitel’noy gidroaerodinamiki: ucheb. posobie . 2011, Samara, SGAU Publ., 65 p.
  • Garbaruk, A. V., Strelets M. Kh., Shur M. L. Modelirovanie turbulentnosti v raschetakh slozhnykh techeniy . 2012, St.Petersburg, Politechnic Publ., 88 p.
  • Gritskevich M. S. Garbaruk A. V. . Trudy XX Shkoly-seminara molodykh uchenykh i spetsialistov pod rukovodstvom akademika RAN A. I. Leont’eva. . Moscow, 2015, P. 40-44 (In Russ.).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp