CC BY
70
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ №26 2011
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA IMENI V.G. BELINSKOGO PHYSICAL AND MATHEMATICAL SCIENCES №26 2011
УДК: 621.184.64
АЛГОРИТМ НАТУРНО-МОДЕЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ
ОХЛАЖДЕНИЯ
© И.Д. ГРАБ1, Н.К. ЮРКОВ2 1Пензенский государственный университет, кафедра “Конструирование и производство радиоаппаратуры” e-mail: [email protected] 2Пензенский государственный университет, кафедра “Конструирование и производство радиоаппаратуры” e-mail: [email protected]
Граб И.Д., Юрков Н.К. — Алгоритм натурно-модельного исследования систем охлаждения // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. 2011. № 26. С. 541—546. — Надёжность работы и стабильность параметров электронных устройств в значительной степени определяется правильным соблюдением температурного режима. Таким образом, важнейшей задачей, стоящей перед конструкторами, является обеспечение требуемого теплового режима всех элементов, узлов и устройств радиоэлектронной аппаратуры.
Ключевые слова: надёжность, системы охлаждения, теплоотводы, математические модели
Grab I. D., Yurkov N.K. — Algorithm naturno-model research of cooling systems // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V. G. Belinskogo. 2011. № 26. P. 541—546. — The reliability and stability of parameters of electronic devices is largely determined by the proper temperature conditions. Thus, the major challenge facing the designers is to provide the required thermal conditions for all elements, components and devices of electronic equipment.
Keywords: reliability, cooling systems, heat sinks, the mathematical model
ВВЕДЕНИЕ
Надёжность полупроводниковых приборов во многом определяется правильным соблюдением их температурного режима. Отказы полупроводниковых приборов часто происходят в результате теплового пробоя при плохих условиях отвода тепла, выделяющегося в электрорадиоэлементах [2-3]. Однако поверхность корпуса полупроводникового прибора не всегда может обеспечить необходимую теплоотдачу в окружающую среду, в связи с чем, температура перехода может превысить максимально допустимую. Поэтому важнейшей задачей, стоящей перед конструкторами, является обеспечение требуемого теплового режима всех элементов, узлов и устройств радиоэлектронной аппаратуры.
Для создания условий равновесия между выделением тепла и его отводом применяются различные теплоотводы. Наиболее простыми и эффективными теплоотводами являются радиаторы, представляющие
собой металлические конструкции, искусственно увеличивающие поверхность охлаждения полупроводниковых приборов, тем самым улучшая отвод тепла [4].
Моделирование широко используется в научных исследованиях и при решении прикладных проблем в различных областях техники. Данная методология основана на изучении свойств и характеристик объектов различной природы посредством исследования их естественных или искусственных аналогов (моделей). Моделирование, в общем случае, представляет собой процесс создания и исследования моделей. Использование моделей всегда связано с упрощением, идеализацией моделируемого объекта. Сама модель не охватывает объекта во всей полноте его свойств, а отражает лишь некоторые исследуемые характеристики - она сходна с познаваемым объектом только по определенной совокупности признаков
[3].
В настоящее время существует несколько десятков программных комплексов и систем, предназначенных для проведения теплофизического проектирования электронной аппаратуры. Как правило, их работа основана на применение одного из численных методов решения прикладных задач тепломассообмена. К таким методам относятся метод конечных элементов (МКЭ) и метод конечных разностей (МКР).
Из существующих сейчас программных продуктов теплофизического проектирования и анализа электронной аппаратуры следует отметить следующие - наиболее развитые системы: Ansys Icepak, FloTherm, Qfin, Elmer, Analog Workbench, Qfin, T-Flex, APM FEM (КОМПАС-3Б), Betasoft, COSMOS, COLDPLATE, Mentor Graphics, Microwave Office, MSC Nastran, PRAC и другие. Из российских программ - комплекс ТРиАНА (АСОНИКА-Т).
В данных системах эффективно решаются отдельные задачи исследования тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры. Для проверки адекватности модели необходимы тестовые натурные исследования, однако, как показывает анализ, представленные системы не позволяют анализировать данные натурного эксперимента.
Таким образом, для полномасштабного исследования систем охлаждения необходимо комплексное исследование систем охлаждения как на моделях, так и на физическом объекте [1, 3].
СУЩЕСТВУЮЩИЕ СХЕМЫ ОБЪЕДИНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В исследовании систем охлаждения можно выделить три вида натурно-модельный экспериментов:
1. Параллельный натурно-модельный лабораторный эксперимент (рис. 1).
2. Последовательный натурно-модельный лабораторный эксперимент (рис. 2).
3. Последовательный виртуально-натурный лабораторный эксперимент.
Достоинством схемы проведения параллельного натурно-модельный лабораторного эксперимента является возможность сравнивать результаты натурных измерений и виртуального моделирования. Кроме того, существует потенциальная возможность расширять область натурных измерений на параметры, которые невозможно обеспечить в условиях учебной лаборатории. Проверять адекватность математической модели.
НУ,
ГУ 1
1 1
Натурный Исследование
эксперимент Мат модели
Обработка
результатов
Принятие
решения
Корректировка Мат. модели
Рис. 1. Схема параллельного натурно-модельный эксперимента:
НУ - начальные условия, ГУ - граничные условия.
Преимуществом использования схемы последовательного натурно-модельного лабораторного эксперимента может быть возможность расширения границ натурного эксперимента и получения новой информации о процессах за пределами лабораторной установки.
Рис. 2. Схема последовательного натурно-модельного эксперимента
Преимуществом использования схемы последовательного виртуально-натурного лабораторного эксперимента (рис. 3) может быть возможность выдвижения гипотезы по результатам его виртуального этапа и подтверждения или опровержения выдвинутой гипотезы в ходе его натурного этапа.
НУ, ГУ
1 г
Исследование НУ,
Мат модели ГУ
1 Г Г
Обработка Натурный
результатов эксперимент
Г
Принятие решения
Рис. 3. Схема последовательного виртуально-натурного эксперимента
ПРЕДЛАГАЕМЫЙ АЛГОРИТМ
На рис. 4 представлен обобщенный алгоритм проведения натурно-модельного исследования систем охлаждения.
( Выход ^
Рис.4. Алгоритм проведения натурно-модельного исследования
Данный алгоритм позволяет проводить исследования систем охлаждения следующими способами:
1. В случае если и реальный объект, и модель существует, то данные экспериментальных исследований используются для калибровки математических моделей и контроля точности приближенных решений. Это может быть использовано при оценке адекватности модели. Использование демонстрационных возможностей математических моделей при исследовании реальной системы охлаждения позволяет визуализировать процессы, протекающие внутри объекта.
2. В случае если возможностей экспериментальной установки не достаточны для полномасштабного исследования, то использование возможностей математического моделирования дают возможность расширения границ натурного эксперимента и получения новой информации о процессах за пределами лабораторной установки.
3. При проектировании новой системы охлаждения, вначале по результатам математического моделирования изготавливается опытный образец с последующим исследованием его на экспериментальной установке. Также решается задача оптимизации по уменьшению затрат, облегчению конструкции.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, совместное использование демонстрационных возможностей математических моделей при исследовании систем охлаждения на лабораторном стенде осуществляет переход на новый уровень в развитии исследовательских систем. Использование средств автоматизации в лабораторном оборудовании освобождает учащихся от рутинных операциях на всех стадиях (управление объектом, съем показаний обработка результатов и составление отчётов). Именно эти операции занимали большую часть времени при проведении эксперимента (лабораторной работы). Благодаря автоматизации стало возможно организовать новый путь развития у обучающего индивидуальных творческих способностей, без увеличения длительности эксперимента.
Данные, снятые с помощью датчиков, в данном случае, являются входными данными для модели, что дает возможность провести поисковое моделирование исследуемого физического процесса при различных заданных параметрах и ограничениях, определить, либо уточнить структуры и параметры математической модели по экспериментальным данным.
Использование демонстрационных возможностей виртуального лабораторного практикума при исследовании реального физического объекта на лабораторном стенде может использоваться в интеллектуальных компьютерных обучающих системах, что позволит осуществить переход на новый уровень в развитии исследовательских навыков обучаемых [5, 6]. При этом устраняется разрыв между теоретическим изучением материала, практикой и исследованием. Комплексное исследование моделей исследуемых объектов с их экспериментальным исследованием на физическом объекте существенно повышает развитие способностей к исследованию, решению нестандартных задач, работе с реальными приборами и лабораторным оборудованием, что имеет большое значение в обучении техническим дисциплинам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горячев Н. В., Юрков Н. К. Концепция создания автоматизированной системы выбора теплоотвода электрорадиоэлемента // Современные информационные технологии - 2010 / Под ред. М. Ю. Михеева. Пенза: ПГТА, 2010. Вып.11. С. 190 -196.
2. Маквецов Е. Н. Модели из кубиков. М.: Сов. Радио, 1978. 192 с.
3. Самарский А. А., Вабищев П. Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003.
4. Скрипников Ю. Ф. Радиаторы для полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1973.
5. Юрков Н. К. Интеллектуальные компьютерные обучающие системы. Пенза: ПГУ, 2010. 304 с.
6. Юрков Н. К. Машинный интеллект и обучение человека. Пенза: Информационно-издательский центр ПензГУ, 2008. 226 с.
