히트 파이프로 우주선을 냉각하는 방법
: Simcenter 3D Thermal 및 Simcenter Amesim과
공동 시뮬레이션
히트 파이프는 종종 전자 장치를 냉각하는 데 사용되며 우주선도 예외는 아닙니다. 제임스 웹(James Webb) 망원경은 개발에 100억 달러, 30년이 소요되었다. 우주에서의 대부분의 노력과 마찬가지로, 성공할 기회는 단 하나뿐이었습니다. 그러나이 망원경에 사용 된 기술과 기술은 다른 기술과 다릅니다. 지상에서 전체 시스템을 테스트할 방법이 없었기 때문에 시뮬레이션이 프로젝트가 성공했는지 확인할 수 있는 유일한 실행 가능한 방법이었습니다.
디지털 트윈은 제품의 다양한 표현의 조합이며 시스템 레벨 모델부터 전체 3D 모델에 이르기까지 모든 것을 포함 할 수 있습니다. 이러한 각 모델은 특정 요구 사항을 충족하고 특정 질문 집합에 답변합니다. 설계 주기 동안 각 팀은 결과를 다른 팀과 전달해야 합니다. 일반적으로 모델 기반 시스템 엔지니어와 3D 분석가는 파일 교환을 통해 데이터 공유가 이루어지는 단절된 방식으로 작업합니다. 데이터 공유에 대한 이러한 접근 방식은 종종 수동적(즉, USB, 이메일 등을 통해)이며, 이는 확장하기 어렵고, 오류가 발생하기 쉬우며, 원활한 팀워크에 덜 도움이 됩니다. 오늘날 개발되는 점점 더 상호 연결된 시스템에서, 전문가들이 특히 여러 분야의 팀 내에서 더 쉽게 협업하는 것이 더 중요합니다.
협업 개선
우주선은 복잡한 기계이며, 열 특성을 관리하는 것은 복잡한 작업입니다. 이 과제는 다양한 분야의 전문 지식을 필요로하며 여러 가지 전략을 사용합니다. 예를 들어, 새로운 제임스 웹(James Webb) 망원경은 장비를 매우 추운 온도로 유지해야 합니다. 태양 방패는 태양의 시야에서 그들을 보호합니다. 또한 다른 구성 요소의 열 특성을 설명 할 필요가 있습니다. 히트 파이프는 시스템의 한 부분에서 다른 부분으로 열 에너지를 이동하는 데 사용되는 일반적인 장치입니다. 그들은 열 에너지를 운반하기 위해 작동 유체의 상 전이에 의존하고 매우 높은 효과적인 열전도율을 자랑합니다.
기계적으로 구동되는 열 제어 루프
전자 장치의 성능을 보장하기 위해 부품을 동의 온도로 유지해야합니다. 이것은 34.4 켈빈 (영하 397.8 ° F)의 작동 온도를 갖는 우주선의 일부와 함께 작은 위업이 아니지만, 이것은 망원경이 작업하고있는 극한 조건을 강조하는 거울 섹션입니다.
엔지니어가 장치를 냉각하는 일반적인 방법은 기계적으로 구동되는 유체 루프와 같은 열 제어 장치를 사용하는 것입니다. 이 장치는 방열판 역할을하는 증발기로 구성되어 있으며 전자 장비에서 과도한 열 에너지를 끌어 당깁니다. 콘덴서는 환경에 대한 과도한 열을 거부하고 축압기는 과도한 유체를 저장하고 시스템 작동을 안정화시키는 버퍼 역할을합니다.
히트 파이프 모델 설정
일반적으로 이러한 대규모 프로젝트의 경우 Simcenter Amesim과 같은 도구에서 시스템 모델을 만드는 시스템 엔지니어가 시작합니다. 이 경우 모델은 유체 루프를 나타냅니다. 증발기 및 응축기 파이프는 코일의 각 다리를 나타내기 위해 다섯 개의 섹션으로 이산화됩니다. 이 모델은 공동 시뮬레이션 결과를 비교하는 기준선 역할을 합니다.
이제 의도는 증발기와 응축기를 3D로 표현하는 것입니다. 이것은 일반적으로 Simcenter 3D Thermal Multiphysics와 같은 3D 시뮬레이션 도구에서 수행됩니다. Simcenter Amesim과 Simcenter 3D를 모두 사용하는 경우 엔지니어는 응축기와 증발기 모델을 Simcenter Amesim의 시스템 모델에 연결할 수 있습니다.
A temperature constraint is applied on the condenser coils and a heat load in Watts is applied on the base plate of the evaporator. The coils are divided into five sections, each of which will be connected to the discretized pipe components in the System model. Thermal Convective Zones are created for each section, so that data is useable in both the system and 3D models.
Sharing data between heat pipe models
If using older software packages then the engineer will need to find a way of sending heat fluxes to the 3D model and returning solid wall temperatures back to the system model. At Siemens, our developers have resolved this problem. An engineer can modify the original Simcenter Amesim model to include a co-simulation block. They can then send heat fluxes to Simcenter 3D and returning the solid wall temperatures. This allows them to generate the model DLL file and point to it in the Simcenter 3D using the External Conditions modeling object.
The Co-simulation UI reads the shared Simcenter 3D and Simcenter Amesim DLL file to present the available interfaces and data to be exchanged, which are then connected to their respective Thermal Convecting Zones. The model may now be solved.
Checking the set-up
The first thing to check is whether the two models are truly equivalent. An engineer will compare the heat flow rates on the evaporator and condenser in each model. A heat load of 600W had been applied on the evaporator, which is balanced by the heat rejection from the condenser. In the Simcenter Amesim model, this heat balance is maintained. In the co-simulation model, we see the same amount of heat rejection and similar dynamic behavior. Both models converge to steady operation.
An engineer should also check the thermodynamic cycles of both models. Since both cycles overlap, they can be confident that both models represent the same physics.
Driving innovation
Now the engineer has established that they can replicate the physics in both a purely system model and a co-simulation model, they can start to explore the design itself.
The first step in the design process will be to change the temperature constraint of the condenser on the plate and not directly on the coils. Indeed, the top surface of the condenser plate faces the external environment and is subject to the temperature of the space environment. This will allow the thermal analysts to enhance the accuracy of their co-simulation model by considering all the 3D heat transfer effects of the condenser.
첫 번째 개선
이제 엔지니어는 완전히 침지된 콘덴서로 구성된 새로운 콘덴서 설계를 조사할 수 있습니다. 이 구성은 콘덴서의 양쪽이 외부 환경에 대한 열을 거부하기 때문에 더 많은 냉각 성능을 제공합니다. 이 구성은 3D 열 전달 효과가 코일에서 외부 환경으로의 열 방출을 유도하기 때문에 공동 시뮬레이션 관점에서 특히 흥미 롭습니다.
마지막으로, 장비의 열 부하가 증발기 플레이트에서 균일하게 방출되는 반면, 실제 산업 사례에서는 각 장비가 개별적으로 열을 방출합니다. 따라서 엔지니어는 공동 시뮬레이션 기능을 활용하여 열 부하 재분할이 증발기 성능에 미치는 영향을 조사할 수 있습니다.
요약
히트 파이프를 모델링하는 것은 열 전달의 고유 한 두 단계 특성으로 인해 매우 복잡 할 수 있음이 분명합니다. 재료 특성 및 내부 설계 사양은 결정하기가 어렵습니다. 실험 데이터에서 파생된 시스템 수준 모델 및 상관 관계를 히트 파이프 모델링에 사용할 수 있지만 열 전달의 진정한 입체 특성은 캡처되지 않습니다. 반대로 프로세스를 3D로 완전히 모델링하는 것은 번거롭고 시간이 많이 걸릴 수 있습니다.
한 가지 옵션은 시스템 모델에 일련의 3D 시뮬레이션 데이터를 공급하는 것입니다. 이렇게 하면 시스템 모델의 정확도를 높이는 데 도움이 될 수 있지만 파일을 통해 데이터를 공유하면 시스템과 물리학을 올바르게 나타내는 모델에 수렴하기 위해 여러 반복이 필요한 연결이 끊어진 프로세스를 나타냅니다. 일부 팀에서는 이 데이터 교환을 자동으로 처리하고 사용자의 요구 사항을 충족하는 스크립트 또는 사용자 지정 코드를 개발하려고 합니다. 그러나 이것은 코드 개발, 물리학 전문 지식 및 수치 수렴 지식을 암시하는 데 어려울 수 있습니다. 일회성 맞춤형 솔루션의 또 다른 복잡성은 다른 솔버 또는 코드와 인터페이스하기 위해 쉽게 확장 할 수 없다는 것입니다.
이 솔루션은 시스템과 3D 모델 간의 직접 통신을 가능하게 하여 원활한 데이터 전송을 허용하고 두 솔버의 강점을 활용하는 것입니다.
Simcenter 3D Thermal Multiphysics 및 Simcenter Amesim과의 공동 시뮬레이션
Simcenter 3D Thermal Multiphysics 2206에서는 Simcenter Amesim과 직접 공동 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 솔버는 시뮬레이션 중에 직접 데이터를 교환합니다.
모델 설정을 단순화하기 위해 새로운 사용자 지정 UI도 추가되었습니다. 시각적이고 직관적인 방식으로 데이터 인터페이스를 할당할 수 있습니다.
참조
Sunada, Eric, et al. "심층 우주 과학 임무의 열 제어를위한 두 단계 기계적으로 펌핑 된 유체 루프." 제 46 회 환경 시스템 국제 회의, 2016. 링크
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