熱環境仿真的案例
清華大學——航天器熱控和環境控制生命保障系統熱網的優化
航天器熱控和環境控制生命保障系統熱網的優化
任健勛 張信榮 陳澤敬 梁新剛 清華大學工程力學系
摘要：為了對航天器熱控、環境控制生命保障系統進行減輕質量化研究，建立其熱網絡優化模擬的試驗系統，研究不同布局下熱網絡工作特性，以尋求熱網絡中熱組件布局對系統質量的影響規律。實驗結果表明：熱組件布局方式對系統換熱有明顯影響；熱組建的優化布局能使系統質量下降，其幅度與平均換熱溫差有關。實驗結果同理論分析及數值模擬結果相吻合。
關鍵詞：航天器熱控系統，環控生保，傳熱，熱網絡，優化
內容簡介：
1 實驗原理及系統
1.1 實驗原理
1.2 實驗系統
2 實驗過程
3 數據處理及誤差分析
3.1 模擬熱組件的換熱量
3.2 傳熱系數K
3.3 換熱面積及質量推算
4 實驗結果分析
4.1 換熱實驗結果
4.2 輕量化分析
5 結論
航天器熱控和環境控制生命保障系統熱網的優化.pdf
展開 OCAD應用：光學系統熱環境分析
正因為如此，由于各種材料在不同環境溫度和大氣壓力下的熱效應會使光學系統結構參數發生變化，這就是光學系統的熱效應。光學系統受環境熱效應的影響必然會影響系統的成像質量。為了保持光學系統成像質量的穩定，利用構成光學系統的各光學材料和金屬材料的不同熱效應影響平衡光學系統結構參數的關系維持系統成像質量的最佳效果，這就需要對光學系統的熱環境進行分析以求獲得一個滿意的結果，這就是光學系統熱分析，分析光學系統熱環境影響求得系統成像質量穩定，這就是光學系統熱環境分析的目的。
求得光學系統熱平衡，一般有以下途徑，一是適當選擇光學系統光學材料的熱效應影響，也就是利用光學材料的熱效應包括材料的熱環境對材料折射率的影響和零件中心厚度的影響，相互匹配求得系統成像質量的穩定；二是綜合考慮光學材料和金屬材料的熱環境影響平衡系統成像質量的穩定；三是精心設計光學系統的機械結構，采取復合套筒結構控制光學系統表面間隔變化求得系統成像質量穩定。所謂復合套筒結構就是利用不同膨脹系數的金屬材料構成雙筒式結構代替簡單的隔圈結構，可以任意獲得光學間隔的熱變化量。
圖1.系統熱平衡綜合計算
為了適應以上熱平衡效果，在OCAD程序主界面的“編輯”菜單內選取“光學系統熱環境分析”后會彈出如圖1光學系統熱環境分析窗體界面。在界面的表格上方給出了“環境溫度”和“大氣環境特性”的選擇。其中大氣環境特性的選擇還有“大氣壓力”和“海拔高度”兩種方式，其實不同海拔高度也就體現了對應大氣壓力，由于不同光學產品面對的要求不同，此兩種選擇方式只是為了適應不同的要求模式而定，程序還可以把海拔高度換算成對應大氣壓力。
圖2.系統熱熱環境分析
有了環境設置，就是光學系統光機結構參數，在界面的表格內不僅列出了系統光學參數，還有保證光學零件間隔的隔圈材料牌號及長度尺寸。
展開 [OCAD]光學系統熱環境分析
正因為如此，由于各種材料在不同環境溫度和大氣壓力下的熱效應會使光學系統結構參數發生變化，這就是光學系統的熱效應。光學系統受環境熱效應的影響必然會影響系統的成像質量。為了保持光學系統成像質量的穩定，利用構成光學系統的各光學材料和金屬材料的不同熱效應影響平衡光學系統結構參數的關系維持系統成像質量的最佳效果，這就需要對光學系統的熱環境進行分析以求獲得一個滿意的結果，這就是光學系統熱分析，分析光學系統熱環境影響求得系統成像質量穩定，這就是光學系統熱環境分析的目的。
求得光學系統熱平衡，一般有以下途徑，一是適當選擇光學系統光學材料的熱效應影響，也就是利用光學材料的熱效應包括材料的熱環境對材料折射率的影響和零件中心厚度的影響，相互匹配求得系統成像質量的穩定；二是綜合考慮光學材料和金屬材料的熱環境影響平衡系統成像質量的穩定；三是精心設計光學系統的機械結構，采取復合套筒結構控制光學系統表面間隔變化求得系統成像質量穩定。所謂復合套筒結構就是利用不同膨脹系數的金屬材料構成雙筒式結構代替簡單的隔圈結構，可以任意獲得光學間隔的熱變化量。
圖1.系統熱平衡綜合計算
為了適應以上熱平衡效果，在OCAD程序主界面的“編輯”菜單內選取“光學系統熱環境分析”后會彈出如圖1光學系統熱環境分析窗體界面。在界面的表格上方給出了“環境溫度”和“大氣環境特性”的選擇。其中大氣環境特性的選擇還有“大氣壓力”和“海拔高度”兩種方式，其實不同海拔高度也就體現了對應大氣壓力，由于不同光學產品面對的要求不同，此兩種選擇方式只是為了適應不同的要求模式而定，程序還可以把海拔高度換算成對應大氣壓力。
圖2.系統熱熱環境分析
有了環境設置，就是光學系統光機結構參數，在界面的表格內不僅列出了系統光學參數，還有保證光學零件間隔的隔圈材料牌號及長度尺寸。
展開 【6月27日-30日 南京】ANSYS Icepak電子設備熱設計熱仿真高級工程應用專題
一、給方法解決以下關鍵問題：
1、仿真分析結果主要在于經驗積累，12年以上工程應用專家帶你答疑解惑
2、有效掌握Icepak工程應用技巧+實操模型訓練
3、所有實例緊緊Icepak工程應用為核心目標，進行實操模擬訓練
二、14個實例模型貼近工程實戰操作：
案例01：機箱冷卻仿真計算案例
案例02：LED自然冷卻計算
案例03：Icepak自建模案例案例
案例04：導入外部CAD模型
案例05：導入外部EAD模型案例
案例06：風冷機箱網格劃分
案例07：液冷冷板網格劃分案例
案例08：熱管網格劃分
案例09：外太空環境熱仿真計算案例
案例10：PCB板散熱仿真計算
案例11：Icepak-Mechanical熱-結構耦合計算案例
案例12：Icepak機箱散熱優化設計
案例13：風機仿真計算案例
案例14：電動汽車電池包熱流計算
三、與同行差異化、效果保證：
1、實戰：專注CAE仿真計算12年，有自己的超算中心，積累了大量的項目工程案例
2、原理：帶領學員訓練實操過程中，注重步驟和設置原理
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四、增值服務
持本人學生證或教師證享有9折優惠；一個單位同時報名2人享有9折優惠； 一個單位同時報名3人以上（含）享有8.5折優惠。
展開 
OCAD應用：光學系統熱環境分析
正因為如此，由于各種材料在不同環境溫度和大氣壓力下的熱效應會使光學系統結構參數發生變化，這就是光學系統的熱效應。光學系統受環境熱效應的影響必然會影響系統的成像質量。為了保持光學系統成像質量的穩定，利用構成光學系統的各光學材料和金屬材料的不同熱效應影響平衡光學系統結構參數的關系維持系統成像質量的最佳效果，這就需要對光學系統的熱環境進行分析以求獲得一個滿意的結果，這就是光學系統熱分析，分析光學系統熱環境影響求得系統成像質量穩定，這就是光學系統熱環境分析的目的。
求得光學系統熱平衡，一般有以下途徑，一是適當選擇光學系統光學材料的熱效應影響，也就是利用光學材料的熱效應包括材料的熱環境對材料折射率的影響和零件中心厚度的影響，相互匹配求得系統成像質量的穩定；二是綜合考慮光學材料和金屬材料的熱環境影響平衡系統成像質量的穩定；三是精心設計光學系統的機械結構，采取復合套筒結構控制光學系統表面間隔變化求得系統成像質量穩定。所謂復合套筒結構就是利用不同膨脹系數的金屬材料構成雙筒式結構代替簡單的隔圈結構，可以任意獲得光學間隔的熱變化量。
圖1.系統熱平衡綜合計算
為了適應以上熱平衡效果，在OCAD程序主界面的“編輯”菜單內選取“光學系統熱環境分析”后會彈出如圖1光學系統熱環境分析窗體界面。在界面的表格上方給出了“環境溫度”和“大氣環境特性”的選擇。其中大氣環境特性的選擇還有“大氣壓力”和“海拔高度”兩種方式，其實不同海拔高度也就體現了對應大氣壓力，由于不同光學產品面對的要求不同，此兩種選擇方式只是為了適應不同的要求模式而定，程序還可以把海拔高度換算成對應大氣壓力。
圖2.系統熱熱環境分析
有了環境設置，就是光學系統光機結構參數，在界面的表格內不僅列出了系統光學參數，還有保證光學零件間隔的隔圈材料牌號及長度尺寸。
展開 【環境仿真專題第三講】基于Code_Saturne對生化污染在城區室內及室外環境下的擴散過程預測
近日北方多地遭受沙塵暴襲擊
惡劣的天氣導致空氣中有害物質的濃度驟然升高
造成了嚴重的環境污染問題
本周的環境仿真專題將圍繞環境污染問題
為大家帶來第三個案例
突發環境事件不僅僅會威脅人類的生存環境，也會威脅到國家的安全。如何減少環境污染對于國家安全的影響，是我們必須要思考的問題。
《環境仿真專題》第三講
基于Code_Saturne對生化污染在城區室內及室外環境下的擴散過程預測
01
研究背景
根據歐洲的公共安全法規，在大城市公共場所設計和建造過程中，需要考慮遭受可能的生化武器恐怖襲擊后生化污染的擴散情況，并為相應的緊急情況響應機制的制定提供依據。
通過數值模擬的方法，可以建立全尺度的CFD模型，使用Code_saturne對具體的公共場所，如地鐵站、火車站、商場進行小尺度上的模擬，同時與適用于大尺度的城市簡化流場與擴散模型（Urban simplified flow and dispersion model, PMSS）耦合，計算大范圍公共場所周邊地區的污染擴散情況，以確定污染是否會僅影響局部區域，或是擴散至周圍的臨近城區。
展開 【環境仿真專題第四講】使用Code_Saturne模擬化學污染物在復雜建筑環境下的大氣擴散
本周還是圍繞環境污染問題
帶來環境仿真專題的第四個案例
圖文詳解 仿真思路更清晰
一起來學習吧
評估污染物通過復雜地形（如山地上和城市中的高樓大廈之間）的擴散對環境造成的影響，可以將這類污染的影響降至最低。
《環境仿真專題》第四講
使用Code_Saturne模擬化學污染物在復雜建筑環境下的大氣擴散
01
研究背景
城市區域建筑林立，地形復雜，如果出現大規?；瘜W品泄漏，將會在近地面處形成重氣云團，這是因為化學品分子量較大的原因導致的。其隨流場擴散的行為受到諸多因素影響，因此需要有效的手段對城市區域內高分子量物質的擴散進行預測以評估潛在的安全風險，并制定相關的緊急響應手段。
JackRabbit II（JRII）實驗場地和裝置
實驗手段是常見的研究方式之一， 美國的Jack Rabbit II（JRII）實驗就是通過在人工建造的模擬城市環境內釋放高壓液化氯，以研究城市環境下高分子量物質的擴散行為。然而進行該實驗需求的成本過大，時間過長，規模有限，因此如果可以使用CFD手段快速模擬化學污染物在不同城市布局下的不同位置、不同風向等等多種情況下的泄漏情況，將大大減少相關成本，從而獲得更全面和更多樣的數據信息。
展開 智用Icepak環境級熱分析助力戶外產品工業設計
===============分割線，以下為正文=================
一、前言
按照使用環境和總體尺寸，熱分析可分為4個尺度級別：(1)元件級：電子模塊、散熱器、芯片封裝的熱分析；(2)板級：PCB板級的熱分析；(3)系統級：電子設備機箱、機柜以及方艙等系統級的熱分析；(4)環境級：機房、外太空等環境級的熱分析。工業設計實踐中，外觀顏色的確定是一項重要內容。戶內產品，顏色主要由美觀程度來決定。但對于戶外產品，特別是暴露于陽光下的柜體(箱體)結構形式，由于會吸收太陽熱輻射，為避免產品內部過高溫升，顏色的選擇大受限制。類似于柜體電源(或服務器、網絡設備等)的散熱必須同時考慮機房空間布置、機房空調冷量，戶外產品的散熱也受到周圍建筑結構和日照強度的影響。業界領先的熱設計軟件Icepak，可以指定待計算工況的發生時間、地理位置、陰晴天氣暨產品的擺放朝向，自動將太陽熱輻射代入計算流程，實現了在工業設計階段即可相對準確的把握整機熱流分布，進而為確定總體外觀提供可靠的參考。
二、常規無內熱源戶外產品
如圖1固定在型鋼框架上的戶外鈑金箱體，內部無熱源，寬600高800深160，重力方向為-Y，環境溫度20度。箱體表面狀態為噴涂白色，為便于區別計算，前蓋(圖中著色面)表面狀態取2種：噴涂白色和噴涂橘紅。在ICEPAK內自建表面材料”噴涂橘紅”如圖2，依據行業規范輻射率取0.8，漫射分數取1，太陽直接熱輻射載荷和漫輻射熱載荷的吸收率均取0.74。噴涂白色表面材料的輻射率和漫射分數不變，太陽直接熱輻射載荷和漫輻射熱載荷的吸收率均取0.1。太陽輻射的設置如圖3，工況發生時間取8月1日早上7點，發生地為廣州(時區GMT +8，北緯23度，東經112度)，X軸正向朝北(既前蓋朝正東)。晴天指數(sunshine fraction)取1。
展開 三維視景仿真環境下的船舶分油機仿真系統設計
公司精心凝聚36位來自不同領域的CAE技術背景和工程經驗的資深專家，為客戶提供高水平的CAE工程咨詢、培訓、教學等服務；包括ANSYS，Abaqus,COMSOL的結構有限元分析，流體與熱分析，電磁場分析，優化設計分析，聲學分析光學分析，zemax、 speos的光學計算等。已為航天、汽車、機械、電子、新能源、醫療等行業的完成了大量的CAE分析咨詢項目，得到了客戶的高度認可。企業使命：為中國制造輸送靈魂設計師，助力中國智造。企業愿景：CAE 應用方案解決。
三維視景仿真環境下的船舶分油機仿真系統設計
公司精心凝聚36位來自不同領域的CAE技術背景和工程經驗的資深專家，為客戶提供高水平的CAE工程咨詢、培訓、教學等服務；包括ANSYS，Abaqus,COMSOL的結構有限元分析，流體與熱分析，電磁場分析，優化設計分析，聲學分析光學分析，zemax、 speos的光學計算等。已為航天、汽車、機械、電子、新能源、醫療等行業的完成了大量的CAE分析咨詢項目，得到了客戶的高度認可。企業使命：為中國制造輸送靈魂設計師，助力中國智造。企業愿景：CAE 應用方案解決。
用于極端環境下的熱防護材料——仿貝殼納米復合氣凝膠
來源 | Advanced Materials
01
背景介紹
極端環境（如深空和深海）對氣凝膠材料的熱防護性能提出了更高要求：一方面，氣凝膠需兼具超低熱導率（< 20 mW m
-1K
-1）和優異力學性能（高剛性、高柔性、超彈性等）；另一方面，需突破低成本和易規模化的氣凝膠制備技術，也讓原本艱巨的任務變得更加困難。
02
成果掠影
近日，東華大學朱美芳院士團隊設計并構筑了“多孔磚和纖維”結構的仿貝殼納米復合氣凝膠（SCQs），通過在層狀纖維素納米纖維凝膠網絡中原位生長介孔無機礦物來實現?；诳缇S度、跨尺度的結構適配工作原理，該有機無機納米復合SCQs在環境壓力干燥過程中具有快速結構回復能力，為氣凝膠材料的低成本規?；苽涞於ɑA。制備得到的納米復合氣凝膠具有優異的抗壓性能，可以承受成人的壓力而不變形，即使在更大的應力下（1.6噸汽車碾壓），依然能夠恢復其原始形狀，同時具有優異的彎曲柔性以適應各種防護表面；另一方面，該氣凝膠具有優異的絕熱性能，熱導率值低至17.4 mW m-1 K-1，遠低于理想的絕熱體-靜止的空氣，與目前航天用隔熱材料-多層隔熱氈相比，不僅具有更優異的耐熱性能，而且在一個大氣壓或稀薄氣壓環境均具有更優異的隔熱性能。多方面綜合優勢使這一氣凝膠材料在航空航天、國防軍工以及智能電子熱防護領域具有極大的應用前景。
展開 
『分享』FLOMERICS IAE ThermaL電子產品熱設計集成分析環境(IAE)-59M
FLOMERICS IAE ThermaL
FLOMERICS IAE Thermal.part01.rar
FLOMERICS IAE Thermal.part1.rar
FLOMERICS IAE Thermal.part2.rar
FLOMERICS IAE Thermal.part3.rar
FLOMERICS IAE Thermal.part4.rar
一石三鳥—光、濕、熱全穩定的環境友好型銅基鈣鈦礦光伏新材料
這項工作首次對環境友好型銅基鈣鈦礦材料(C6H5CH2NH3)2CuBr4的光電性質、穩定性及光伏性能進行了深入研究，發現(C6H5CH2NH3)2CuBr4不僅具有較高的吸光系數, 還具有優異的全方位穩定性，是目前報道的唯一能夠同時抵抗紫外光、濕、熱的不利影響的銅基鈣鈦礦材料。最后，文章證明了這種材料具有一定的光伏效應。
【圖文導讀】
圖一：(C6H5CH2NH3)2CuBr4具有層狀鈣鈦礦結構，從SEM可以清楚地看到其層狀特征。
圖二：(C6H5CH2NH3)2CuBr4具有禁帶寬度1.81 eV、吸光系數高，并研究了其能帶結構。
圖三：(C6H5CH2NH3)2CuBr4具有良好的濕度、熱穩定性。
圖四：器件結構及光伏效率。
【小結】
本文一種無鉛、高穩定的有機無機雜化鈣鈦礦新材料，并首次證明了其光伏效應，同時具有高的光吸收系數，為解決鈣鈦礦光吸收材料的穩定性和含鉛難題提供了一種新的選擇。
文獻鏈接：(C6H5CH2NH3)2CuBr4: A Lead-Free, Highly Stable Two-Dimensional Perovskite for Solar Cell Applications - ACS Applied Energy Materials https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.8b00372.
【相關工作介紹】
一種高穩定無鉛銅基有機無機雜化光吸收新材料(C6H4NH2CuBr2I)。該成果以“Organic-Inorganic Copper(II)-Based Material: A Low-Toxic, Highly Stable Light Absorber for Photovoltaic Application”為題發表在美國化學會旗下的J. Phys.
展開 仿真科普｜駕馭風場，筑風為友：CAE風環境仿真技術驅動建筑可持續設計
隨著城鎮化進程加速和“雙碳”目標推進，綠色建筑與宜居環境成為城市發展的核心議題?！笆奈濉币巹澝鞔_提出“提升城市建設智慧化水平，發展智能建造”，對建筑能效與環境適應性提出了要求。[1]在這一背景下，建筑風環境仿真技術正成為優化人居環境、保障建筑安全的關鍵支撐。CAE風環境仿真技術，通過高精度數值模擬還原真實風場與建筑的相互作用，為建筑可持續設計提供科學決策依據。
圖源網絡
文件《建筑設計環境準則》明確要求建筑方案階段需進行環境影響評估，涵蓋風環境對行人安全、能耗、自然通風的影響分析，并需提出優化措施，同時強調節能設計，要求通過仿真優化建筑布局降低熱島效應，提升室外風舒適性。[2]
“熱島效應” 圖源網絡
海南省《綠色建筑設計規程》文件，要求建筑群體布局長度超30米時，需設置通風過街樓，并應運用計算流體力學（CFD）手段對場地風環境進行模擬預測，完成模擬報告，據此完成規劃設計。[3]
可見，CAE風環境仿真技術可在設計階段精準預測建筑群風場分布，為規劃布局與結構安全提供科學依據。
當傳統風洞試驗面臨周期長、成本高的困境，建筑風環境仿真的優點在于：
（1）費用省、周期短、效率高；
（2）可方便探討各種參數變化對結構性能的影響；
（3）基本不受結構尺度和構造的影響，可盡可能真實地模擬實際結構以及所處的環境，克服試驗中難以滿足雷諾數相似的困難；
（4）數值模擬的結果可利用豐富的可視化工具，提供風洞試驗不便或無法提供的繞流流場信息。
展開 熱設計，熱測試，熱仿真聽說讀寫
當前，越來越多的企業選擇借助仿真和試驗相結合的手段來加快產品的開發，旨在于減少試驗驗證次數，縮短開發周期，降低產品設計風險。另外由于半導體設備的功耗、散熱參數與材料成分、制造工藝相關，且與環境溫度及溫升相關，需要借助熱測試設備重新標定元件的散熱特性。
目前電子、電氣行業的熱設計工作大都是由結構設計工程師在兼顧，相對缺乏熱設計理論、專業CFD散熱分析技術和熱測試經驗。安世亞太多年從事熱設計工程咨詢服務，積累了豐富的實踐經驗，時至今日已具備熱設計完整解決方案及落地能力。在逐步積淀的過程中，梳理出相對清晰的理論體系，在這里與感興趣的業內伙伴分享。
熱設計技術
電子設備的熱設計是根據電子元器件的功耗、溫度特性和應用場景，利用熱傳遞技術和相應的結構設備，使元器件的工作溫度不超過其正常工作溫度的要求范圍，同時滿足散熱路徑上部件的可靠性要求。通常熱設計需要借助熱測試技術獲得關鍵傳熱性能參數，仿真技術能夠對熱設計進行評估與優化。
熱測試技術
熱測試是一門測試技術，借助專業測試設備與測試方法獲得產品一維散熱路徑上各處的熱阻特性，為散熱設計評估、仿真分析提供可靠的數據。
在電子產品散熱設計中，熱測試的目的主要是為測試產品實際散熱表現是否能達到預期要求，檢驗產品散熱方案的合理性、評估產品工藝的可靠性。另外熱測試技術還可進行優化潛力與降成本方面的評估，測試產品在不同方案以及在不同環境下的實際表現, 結合其理論設計、仿真分析進行回歸，指導后續的散熱設計。
傳統的熱測試方法主要分為熱電偶的接觸式和紅外測溫法的非接觸式二種，以及較為準確的ETM電氣法測溫（JEDEC JESD51）。如今第三代熱測試技術為瞬態熱測試法（JESD51-14）也已問世。
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