【摘 要】
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航天技术的飞速发展使得卫星的体积和质量逐渐趋于小型化,而微电子机械系统技术(MEMS)的巨大进步客观上允许电子芯片的功能密度越来越高。在高真空、强辐射和低重力等特殊的
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航天技术的飞速发展使得卫星的体积和质量逐渐趋于小型化,而微电子机械系统技术(MEMS)的巨大进步客观上允许电子芯片的功能密度越来越高。在高真空、强辐射和低重力等特殊的空间环境条件下,微纳卫星小空间范围内元器件的散热显示出与普通环境下不同的特点。本文以微尺度传热学界普遍研究的微槽热沉为背景,结合微纳卫星特殊的工作环境及其特点,考虑到未来微纳卫星的发展对热设计的更高要求,探究了微泵驱动单相流体循环微槽热沉冷却在微纳卫星上应用的有关问题。首先,建立一种适用于微纳卫星上的主动热控系统模型:基于MEMS的微泵驱动单相流体循环微槽热沉冷却系统。采用节点网络法(又称集总参数法)对在轨微纳卫星分别建立微槽热沉和辐射器的热力学模型。分析了空间热环境对在轨卫星热控系统的影响并且对星上发热器件的热响应进行了数值仿真计算。将专家智能鉴定与PID控制原理相结合,实现对控制参数——冷却流体流率的自动化调节,从而精确控制热敏感电子器件的温度。其次,针对微槽热沉本身,为发挥其最大的散热优势,对矩形结构槽道的热沉进行了尺寸优化设计。整个优化过程基于流体流动的连续介质模型,即N-S方程。从水力学和热力学两方面对模型的边界条件进行了说明。优化设计的思想是:先选用四水平全因子设计确定试验点,通过CFD软件仿真计算得到每个试验点处的目标函数值,对得到的数据采用响应表面方法(RSA)构造目标函数的代理模型,最后利用遗传算法求得热沉结构的最优尺寸,在最优尺寸下热沉的全局热阻最小。最后,为验证进出口位置的不同对微槽热沉内流体流动及其换热性能的影响,采用ICEPAK分别建立了四种不同进出口布置的微槽热沉模型,在假定各材料热物性不变的前提下利用计算流体力学软件FLUENT进行了计算分析。分析涉及模型内部流体流动的流场分布及其整体温度分布,特别对若干特征微槽内的流体流速和温度发展情况进行了细致研究,从而选出了最佳模型。
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