CC BY
23
Evlanov Andrei Aleksandrovich, engineer, ewlanow [email protected], Russia, Tula, JSC "SPA "Splav"
УДК 629.7.05 (083)
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
О.А. Фомичева
Предложена экспериментально-теоретическая методика определения коэффициента теплопроводности сплошнойрезистивной среды.
Ключевые слова: тепловой образ, сплошная резистивная среда, коэффициент теплопроводности, численное моделирование.
Современные средства разведки способны не только обнаруживать и опознавать объекты на больших дальностях, но и обслуживать стрельбу по их поражению. Поэтому наряду с поражением ударных сил противника важная роль отводится защите собственных войск. Одним из элементов защиты является создание ложных позиций расположения войск с помощью имитаторов военной техники. При создании имитаторов следует при сохранении геометрического подобия воспроизводить адекватные по энергетическим яркостям излучения поля соответствующих объектов во всех диапазонах спектральной чувствительности технических средств разведки и инфракрасных головок самонаведения (ИК ГСН).
Такие имитаторы могут также использоваться при отработке алгоритмов селекции цели автоматизированных систем анализа опознавательных признаков ИК-диапазона, позволяющих по характеру распределения контрастов не только выделить и идентифицировать цель, но и определить ее ориентацию на местности и режимы работы оборудования. А затем по совокупности этих данных сделать вывод о тактико-техническом состоянии объекта и уровне его приоритетности.
Кроме этого, тепловые имитаторы объектов бронетанковой техники (ОБТТ), воспроизводящие тепловой образ, максимально приближенный к реальному, могут использоваться для обучения операторов-наводчиков работе с соответствующими приборами в ночное время.
В России и за рубежом активно ведутся работы по созданию имитаторов, позволяющих воспроизводить тепловые образы в соответствии с режимами функционирования ОБТТ.
К таким имитаторам относится конструкция, изображенная на рис. 1, представляющая собой основание 1 с размещенными на нем нагревателями и многоканальный источник питания, при этом основанием явля-
27
ется теплоизоляционный материал, а в качестве нагревателей используются унифицированные по форме и размерам термоэлементы (ТЭ) 2, выполненные в виде печатных плат (рис. 2), у которых на поверхность с медными токоподводами нанесено равномерное резистивное электропроводное покрытие из графит-полимерной композиции, поверх которого нанесено диэлектрическое покрытие с коэффициентом черноты, соответствующим моделируемому ОБТТ. Термоэлементы расположены в виде мозаики, геометрическая форма которой соответствует геометрической форме ОБТТ. Дополнительно в конструкцию теплового имитатора введено коммутирующее устройство (3) для последовательно-параллельного соединения унифицированных нагревательных элементов и подключения их к многоканальному источнику питания (4) [1].
диэлектрическое покрытие решстивное покрытие текстолитовая подложка
медные токоподводы
Рис. 1. Конструктивная схема теплового имитатора
Рис.2. Термоэлемент
Термоэлементы объединены в электрические цепочки, количество которых определяется в зависимости от количества температурных градаций воспроизводимого теплового образа ОБТТ.
Тепловой имитатор ОБТТ функционирует следующим образом. В соответствии с выбранным для воспроизведения тепловым образом моделируемого ОБТТ от многоканального источника питания через коммутирующее устройство на различные группы термоэлементов подается необходимое для получения требуемой температуры напряжение.
Варьированием напряжения всех групп термоэлементов одновременно может быть изменено температурное поле теплового имитатора ОБТТ целиком. Изменением напряжения на отдельной группе термоэлементов, а также с помощью их перекоммутации может быть изменен температурный контраст.
Описанная конструктивная реализация макета позволяет воспроизводить тепловые поля объекта при различных режимах его функционирования: например, марш без стрельбы; ведение огня с позиции с неработающим двигателем; стоянка после марша с работающим двигателем; ведение огня с позиции с работающим двигателем.
Теоретической основой проектирования теплового имитатора указанного типа является решение сопряженной электротепловой задачи.
Дифференциальное уравнение теплопроводности, связывающее временное и пространственное изменение температуры при наличии внутреннего объемного тепловыделения, имеет вид [2]
дT
pc— = div(1п gradT) + qu, Эт
где 1п - коэффициент теплопроводности покрытия, Вт/(м-К); д^ - мощ-
3
ность внутренних источников теплоты, Вт/м .
Основным физическим свойством электропроводного покрытия, определяющим температуру на поверхности термоэлемента, является его коэффициент теплопроводности 1п. Для исследуемого композита определить его значение из физического эксперимента затруднительно из-за сложности структуры, поэтому предлагается применить экспериментально-теоретический метод с использованием программного комплекса расчета распределения температуры по поверхности на основе решения электротепловой задачи в сопряженной постановке (рис. 3).
Рис. 3. Интерфейс программного комплекса решения электротепловой задачи
В качестве исходных данных для численного эксперимента задаются геометрия подложки и шин, толщина электропроводного покрытия, те-плофизические свойства материалов.
Для проверки адекватности математической модели проведен численный эксперимент: к термоэлементу размером 50х50 мм с номиналом сопротивления 41 Ом подводилось напряжение 12 В (приняли
а,,=0,23 Вт/(м-К)). В результате получили распределение температуры по поверхности элемента, характер которого соответствует физическому эксперименту (рис. 4), однако численные значения значительно выше экспериментальных ( 7П1^"=78 °С, 7ХГ =120 °С). После проведения серии численных расчетов с различными значениями выбрали для используемой в качестве материальной основы для моделирования теплового образа ре-зистивной среды Яп=12,5 Вт/(м-К).
Используя имперически полученное значение Х=12,5 Вт/(м-К), проведены численные эксперименты, аналогичные физическим. Получено распределение температуры на поверхности одиночных ТЭ размерами 50x50 мм с номиналами сопротивлений Я=А\, 51, 60 и 71 Ом при перепаде напряжения на них 12 В (на рис. 5 представлено распределение температуры на поверхности термоэлемента с номиналом сопротивления 41 Ом).
450.0 Т, К 400,0
350,0
300,0
250,0
200,0
150,0
100,0
50,0
0,0
Рис.4. Распределение температуры в среднем сечении поверхности термоэлемента при ХП=0,23 Вт/(м-К)
□ 350,0-360,0
□ 340,0-350,0
□ 330,0-340,0
□ 320,0-330,0
□ 310,0-320,0
□ 300,0-310,0
□ 290,0-300,0
Рис.5. Распределение температуры (Т, К) на поверхности термоэлемента 50x50 мм при 1^=41 Ом и 11=12 В
Анализ распределения температуры на краях термоэлемента показал, что в местах расположения токоподводов температура ниже, чем на двух других, в среднем на 5 %, вследствие отсутствия на них теплового потока, генерируемого электрическим током. На рис. 6 представлено изменение температуры в центральном сечении термоэлемента по направлению линий тока и перпендикулярно им.
• •
* физический эксперимент —численный эксперимент
400,0 Т, К
350,0 300,0 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0
Рис. 6. Распределение температуры в среднем сечении поверхности термоэлемента 50х50 мм при Rs=41 Ом и U=12 В
К тому же градиент температуры на поверхности ТЭ, являющийся следствием краевых эффектов как в электрическом, так и в тепловом полях, получили такой же, как и в физическом эксперименте (30...40 %). Максимальное отклонение расчетного значения температуры от экспериментального не превышает 5 %, что подтверждает адекватность программно-математического обеспечения.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант РФФИ №16-41-710663) и в соответствии с договором №ДС/65 от 09.08.2017 г.
Список литературы
1. Тепловой имитатор объекта бронетанковой техники: пат. 74702 РФ. Опубл. 10.07.2008.
2. Фомичева О. А. Математическая модель теплового имитатора на основе сплошной резистивной среды // IV Научная конференция Волжского регионального центра РАРАН "Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения". Саров, 2005. С. 37 - 39.
Фомичева Ольга Анатольевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
METHOD OF DETERMINING THE THERMAL CONDUCTIVITY
O.A. Fomicheva
The article proposes an experimental-theoretical technique for determining the thermal conductivity of a solid resistive material
Key words: thermal image, solid resistive material, thermal conductivity, numerical simulation
Fomicheva Olga Anatol 'evna, candidate of technical sciences, docent, olir77@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
- — -с-;
напралвению силовых ний рпендикулярно силовым ниям
ли пе
ли
123456789 10 11
