[发明专利]一种基于等效比热容的相变储能结构热分析方法

说明书

本发明公开了一种基于等效比热容的相变储能结构热分析方法，该方法基于弹载电子设备包括体积、重量、外界换热条件、热功率、工作时间的多参数约束条件，运用相变材料等效比热容计算方法，以尺寸、重量、结构、相变材料种类为参数进行多目标优化，形成包括相变材料质量、温度分布的多参数最佳组合，得到满足散热要求的相变储能结构型式。本发明通过将相变材料的潜热值等效成比热容，将相变过程等效为固定比热容的单相物质进行仿真，计算快捷方便、结果准确可靠。

技术领域

本发明涉及相变材料储能技术领域，特别是一种基于等效比热容的相变储能结构热分析方法。

背景技术

航天、弹载电子设备对体积、重量要求极为严苛，空间狭小且密闭，外界散热条件苛刻，随着大规模集成电路和功率电子的日益普遍应用，弹载电子设备的散热难题日益突出，无法进行常规的风冷、液冷，仅仅依靠自身的金属结构件来进行散热，即利用金属结构件的热容，被动地蓄纳电子模块工作时耗散的热量，有限的结构材料热沉容量往往难以有效吸纳电子设备的热耗。近年来，弹载电子设备功耗增加，在工作末段散热不足和温度超限的情况愈发突出。

某些电子设备体积小、重量轻，发热量大，工作时间长，绝热散热环境，要求在工作时间内散热满足要求，保证电子器件性能。其主体材料为铝合金，比热容较小，需要结合某大潜热相变材料作为热沉。某相变材料本身具有较高的热容且具有较大的相变潜热，能吸收绝大部分的热量，保证工作时间内电子器件工作温度不至于太高。电子器件热量通过铝板传导至相变材料，相变材料先自身热容蓄热，达到熔点后利用潜热吸收热量，待全部融化后液态下热容吸热。相变材料具有较好的导热性能，热阻、温度差较小。

相变材料是指在特定温度下，从一种聚集态转变到另一种聚集态的物质，相变材料在物质状态变化的过程中温度保持不变，能吸收巨大的热量，即高潜热值。由于相变材料具有高潜热特性，因此常将相变材料应用于短时间工作的弹载电子器件散热，吸收电子器件工作时的热量。使用时，需要根据电子器件的工作温度选择相变材料的相变温度，选择潜热值、导热系数大，密度相对较大的相变材料。但是由于相变材料的导热系数较低，需要进行相变材料结构一体化研究，然后对整个散热结构进行优化计算，相变材料一体化结构的导热性能，包括相变材料的高导热系数、高潜热、密度、相变温度等。

通过仿真可以快速评估相变散热结构的热符合性，但是由于相变过程是一个复杂的过程，包括聚集状态的变化和比热等特性的变化，因此难以准确的模拟相变过程。国内外对相变、两相流过程仿真研究较多，但是由于相变过程的复杂性，仿真准确度不高。目前主流热流仿真软件FLUENT、FLOEFD、FloTHERM、ICEPAK均很难准确模拟相变过程，结果准确度较差，两相流仿真结果与实验结果对比误差在10℃左右。

现有弹载电子设备缺乏有效的手段进行热设计评估，往往只能依靠经验估算，后期利用试验数据进行验证，研制周期较长，不利于过程迭代。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算快捷、准确的基于等效比热容的相变储能结构热分析方法，在设计方案阶段进行有效的评估热设计符合性，从而实现最优设计。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于等效比热容的相变储能结构热分析方法，其特征在于，具体如下：

基于弹载电子设备包括体积、重量、外界换热条件、热功率、工作时间的多参数约束条件，运用相变材料等效比热容计算方法，以尺寸、重量、结构、相变材料种类为参数进行多目标优化，形成包括相变材料质量、温度分布的多参数最佳组合，得到满足散热要求的相变储能结构型式。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)相变材料采用等效比热容，准确度高：从相变材料的最终状态出发，提出一种相变过程等效比热容的瞬态仿真计算方法，将相变材料的潜热值等效成比热容，将相变过程等效为固定比热容的单相物质进行仿真，仿真准确度更高，经与后期试验测量结果对比仿真与试验误差在3℃以内；(2)采用FLOEFD进行瞬态仿真计算，计算快捷方便，为弹载设备热设计及结构优化提供了有效手段。