圆筒仓的高效热控与红外隐身研究

发布时间：2020-08-13 05:39

【摘要】：圆筒仓在国防领域有重要应用,如车载圆筒仓和地下圆筒仓。圆筒仓内有精密设备,需高效热控系统将其内部温度维持在20 ℃附近。同时,圆筒仓的红外隐身是保证相关装备安全的重要前提。为此,我们进行了如下工作。提出了将液体盘管热控系统应用于车载圆筒仓的设想,设计、构建并实验验证了车载圆筒仓液体热控系统模型,通过仿真和工程计算比较了该系统和传统的气体热控系统。研究发现,在稳定运行状态下,气体热控系统中的压降主要来自换热器,而液体热控系统中的压降则主要来自主体部分,气体热控系统的流动能耗为液体热控系统的21.8倍。液体和气体热控系统的热耗均主要来自主体部分,且总热耗相差较小。由于流动能耗的差别,液体热控系统的能效在春、夏和冬季分别为气体热控系统的11.6、10.3和3.8倍。液体热控系统的应用可在春、夏和冬季分别节能93.2%、88.7%和71.3%,平均一年可节能85%以上。另外,液体热控系统全面压缩了目标表面的温度波动范围。在目标表面温度场的空间均匀性和时间稳定性方面,液体热控系统在所有三个季节中均优于气体热控系统。在空载启动状态下,液体热控系统可更好地控制车载仓的内表面温度,而气体热控系统则可更好地控制仓内的空气温度。但是,两种系统均无法在5小时内达到稳定运行状态。在液体热控系统中加装混合风扇可使其在2小时内达到稳定运行状态。车载圆筒仓经常在移动之中,其周围环境也随之变化。因此,传统的被动红外隐身技术难以实现持续的红外隐身效果。我们提出并设计了将仓体与外界环境隔离的车载圆筒仓红外隐身冷屏系统。该系统向环境空气散热,可以使其温度跟随环境空气温度,从而降低车载仓表面与地表之间的温差,实现动态红外隐身。我们计算分析了不同体积流率下的红外隐身效果,发现,在夏季,使用冷屏前一天中车载仓外表面和地表间的最大温差为28.1 ℃;而使用冷屏后,体积流率为1.694 m3/h时,最大温差降低为9.3 ℃。在冬季,使用冷屏前一天中车载仓外表面和地表间的最大温差为6.2 ℃;使用冷屏后,最大温差无明显变化,但是体积流率为0.906 m3/h时即可消除无冷屏时侧面和端面连接处的热斑。提出了将液体盘管热控系统应用于地下圆筒仓的设想,设计并构建了地下圆筒仓液体热控系统模型,验证了模型中土壤周侧面设置为绝热边界条件的合理性。通过仿真计算发现,在使用热控系统前,在夏季,目标表面的最大温差可达11.9 ℃,与20 ℃的最大偏差有9.3 ℃;在冬季,目标表面的最大温差高达16.9℃,与20 ℃的最大偏差更是高达26.5 ℃。使用液体热控系统后,在夏季,目标表面的温度范围被压缩到了19.3～20.0 ℃,在冬季则被压缩到了19.1～19.7 ℃,均达到了温控目标。能耗分析发现热耗为总能耗的主要部分,流动功耗仅为0.64 kW·h,总能耗在夏季和冬季分别为70.96 kW·h和101.54 kW·h。设计了由60.55 m2太阳能集热器和1.87 m3储热水箱组成的节能方案,在理想状态下,能耗仅为水泵功耗。地下圆筒仓上表面(仓顶)与周围地表基本齐平,只需在其上覆盖薄层土壤即可得到与地表相同的红外发射率。但仓顶与地表温度则难以保持一致,原因主要有两个:一是仓盖材料与土壤热物性不同,仓顶与地表对相同的环境条件呈现不同的热响应特征;二是地下仓内温度需维持在20℃附近以保证仓内设备正常工作,而周围土壤温度却呈周期性变化。据此,我们设计了从上至下依次为模拟层和隔热层的红外伪装斗篷。其中,模拟层用于模拟土壤地表对周围环境的热响应特性,隔热层则用于减弱地下圆筒仓内部对模拟层下边界的影响。计算发现当氧化铝粉和硅橡胶的复合材料中氧化铝粉体积分数为3.18%时,其热惯量与土壤一致。通过仿真计算发现,模拟层厚度无需大于其热穿透深度即可实现较好的红外伪装效果;而无隔热层会导致冬季仓顶温度不均匀,出现热斑,影响红外伪装效果。分两步优化了斗篷中各层的厚度,并最终确定了模拟层和隔热层的最优厚度分别为22 cm和4 cm。使用最优斗篷前,仓顶与地表最大温差均出现在17时,在夏季为1.59 ℃,在冬季为1.92 ℃;使用最优斗篷后,仓顶与地表的最大温差均出现在14时,在夏季为0.31 ℃,在冬季为0.21 ℃。设计的红外伪装斗篷可实现地下圆筒仓全天候、全时段的被动红外伪装。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN219;TJ5
【图文】：

方案,温湿度,独立控制,暖通空调

１．２．２福射板逡逑辐射板在暖通空调中又称辐射冷却系统，通常有辐射天花板和辐射地板，如逡逑图１．２所示。Ｈｕａｎｇ等人［１４］对１９８７年至２０１４年期间发表的暖通空调（Ｈｅａｔｉｎｇ，逡逑ＶｅｎｔｉｌａｔｉｎｇａｎｄＡｉｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ，邋ＨＶＡＣ）方面的文章进行了回顾。他们将这些文逡逑章分成了五大类：温湿度独立控制、分层通风、储热、热回收和间接蒸发冷却。逡逑其中，温湿度独立控制最为热门，是超过一半的文章的主题。温湿度独立控制中逡逑控制温度采用的便是辐射冷却。他们分析了温湿度独立控制的三个优点：一，传逡逑统空调为了除湿需要非常低的冷冻水温度，因此经常出现“过度冷却”的问题；逡逑而温湿度独立控制则没有这个问题，可以降低能耗，提高舒适度；二，温湿度独逡逑立控制系统没有利用冷凝来除湿，系统内没有潮湿区域，防止了霉菌滋生，而新逡逑风仅用于去除水分、二氧化碳和异味，因此与变风量系统相比，空气流速较小，逡逑３逡逑

天花板,辐射板,液体冷却,冷板

｜作逡逑Ｗ邋Ｗ邋％逡逑（ａ）空气冷却逦（ｂ）翅片冷却邋（ｃ）间接液体冷却逦（ｄ）直接液体冷却逡逑图１．１相同电池间隔下的不同冷却方案Ｍ逡逑综上所述，液体热控系统是比气体热控系统更氋效的热控系统。在圆筒仓中逡逑使用液体热控系统有望解决现有系统能耗高和控温效果差的问题。对于圆筒仓这逡逑种大型目标，无法采用直接液体冷却技术。因此，下文将重点介绍间接液体热控逡逑技术。间接液体热控系统主要有两种形式：第一种为辐射板，常见于建筑等大型逡逑空间中，温控液体流经辐射板上的盘管，通过盘管与辐射板的导热控制辐射板温逡逑度，进而通过对流和辐射对空间内部进行热控；第二种为冷板，常见于芯片或电逡逑池等小型物体，温控液体依然在冷板的管道中流动，但是冷板则直接通过与目标逡逑间的导热对其进行热控。逡逑１．２．２福射板逡逑辐射板在暖通空调中又称辐射冷却系统，通常有辐射天花板和辐射地板，如逡逑图１．２所示。Ｈｕａｎｇ等人［１４］对１９８７年至２０１４年期间发表的暖通空调（Ｈｅａｔｉｎｇ

冷板,热管理,电池

ｉ３和丨８）通常都使用液体热控系统［５５】。逡逑冷板在ＢＴＭ中的应用形式有三种：嵌入电池单体［５６］、夹在相邻电池之间［５７＿逡逑６Ｇ］和安装在电池模块的侧面［６１，６２１，如图１．３所示。对于嵌入电池单体内的冷板，逡逑通道尺寸需足够小以嵌入电池组件，并且由于复杂的化学反应，通道壁必须是化逡逑学惰性的。当冷板夹在相邻的电池之间时，厚度需足够薄以更好地整合进车辆。逡逑电池模块的顶部需为电池之间的电连接提供位置，冷板通常与模块的侧面或底部逡逑进行热接触。在这种情况下，电池可以夹在两个散热器之间，从而加强模块与冷逡逑板间的热传递。冷板为平板，可很容易地应用于方形电池，但对于圆柱形电池则逡逑适用性较差。通常，冷板系统还需要为电池提供结构支撑并集成到电池箱中，以逡逑便在电动汽车中同时保证安全性和节省空间［６３）。逡逑▲逡逑Ｉ邋牛逦电池逡逑（ａ）嵌入电池单体逦（ｂ）夹在相邻电池之间逦（ｃ）安装在电池模块侧面逡逑图１．３冷板在电池热管理中的不同配置方式网逡逑通道的结构是影响冷板的热性能和泵功耗的关键因素。冷板的通道结构通常逡逑可分为并行和蛇形。Ｒａｏ和他的合作者们［６４］设计了一种基于冷板的ＢＴＭ系统，逡逑其中的微通道平行且等距分布。他们数值研究了通道数、质量流率和流动方向对逡逑温升和温度分布的影响（图１．４（ａ））。此外

【相似文献】