1 引言
温度调节板为红外隐身系统的基本组成部件，温度调节板接收发出的信息并作为指令温度对温度调节板表面温度进行控制。主要功能是接收串行总线的温度指令，对温度调节板外表面实现温度控制，以模拟环境红外辐射强度。
2 结构概况
温度调节板结构如图1所示，由盖板、半导体制冷片、垫块、底盖板、温度控制组件等构成。温度传感器安装于盖板上，负责对盖板温度进行测量，半导体制冷片为热转换器件，可以根据温度控制组件收到的指令温度，调节盖板的温度。垫块负责在半导体制冷片和底盖板之间传递热量，（在整个系统中底盖板与底板充分接触，底板有较大热容，以使垫块在制冷片工作过程中保持恒温）。盖板与底盖板之间采用密封条隔热连接，螺钉与盖板采用衬套连接，以防止热传导。
图1 温度调节板结构示意图
3 材料属性
分别分析底盖板两种材料的情况，材料参数详见下表。
表1 材料特性表
4 热载荷及热边界条件
1）热传导
导热系数是物质的一种物理性质，表示物质的导热能力的大小，导热系数值越大，物质的导热性能越好。导热系数只能实际测定。本报告中材料的导热系数在表1中已经给出。
2）对流
对流换热系数的大小与传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表面的形状。大小相对位置，而且与流体的流速有关。
对于热对流在高温计算时对流系数比较难确定，而且对流系数对计算的影响较大。在本报告中，当盖板与内外表面空气有温差时，热传递功率P=S*ΔT*h； S为面积，ΔT为温差；h为常数5W/（m2·℃）。
3)辐射
辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递，称辐射换热。辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进行，只是辐射热与吸收热相等。
温度调节板是因为热的原因而发生的辐射，属于热辐射。当盖板与外表面空气有温差时，辐射传递功率P= S*δ(T1²*T1²-T2²*T2²)；δ=5.67*10-9w/(m2k4)；S为盖板外表面面积。控制热辐射能量大小的是由辐射力决定的。本报告中辐射换热系数取0.8。
5 温度调节板仿真分析模型
5.1 几何模型
为了减小计算量，沿对称面取温度调节板的一半进行计算，部分温度控制组件对结果影响不大，在计算中略去，其仿真计算几何模型，如图2所示。
图2 几何模型
5.2 有限元网格模型
采用四面体单元对温度调节板进行网格划分，单元数266397，节点数为478672其有限元网格模型如图3所示。
图3 有限元网格模型
6 制冷片对盖板加热时的计算结果
初始阶段，底盖板、垫块、盖板、制冷片、空气温度都为-10℃，然后制冷片以13W的功率给盖板加热，当盖板表面指定点温度为-5℃时，分析外表面的温度分布情况，并给出外表面温度分布云图，以及温度在外表面直径上的分布函数图形。
6.1 底盖板材料为OCr15Ni5Cu2Nb
制冷片以13W的功率给盖板加热， 加热到47s时盖板给定位置处温度由-10℃上升至-5℃，如图4所示。此时表面温度分布云图如图5所示。
图4 指定点温度升至-5℃
图5 指定点温度升至-5℃时外表面温度云图
当指定点的温度达到-5℃时，在盖板表面处指定一路径如图6所示，得到该路径的外表面温度分布数据梯度如图7。
图6 盖板指定路径
图7 盖板指定路径温度分布梯度
在制冷片加热过程中，盖板的最高温度和最低温度的温差随加热时间的增加而变化，变化曲线如图8所示。
图8 盖板温差随时间变化曲线
6.2 底盖板材料为铝合金LY12
制冷片以13W的功率给盖板加热，加热到55s时，盖板给定位置处温度由-10℃上升至-5℃，如图9所示。此时表面温度分布云图如图10所示。
图9 指定点温度升至-5℃
图10 指定点温度升至-5℃时外表面温度云图
当指定点的温度达到-5℃时，在盖板表面处指定一路径如图11所示，得到该路径的外表面温度分布数据梯度如图12。
图11 盖板指定路径
图12 盖板指定路径温度分布梯度
在制冷片加热过程中，盖板的最高温度和最低温度的温差随加热时间的增加而变化，变化曲线如图13所示。
图13 盖板温差随时间变化曲线
7 制冷片对盖板制冷时的计算结果
初始阶段，底盖板、垫块、盖板、制冷片、空气温度都为30℃，然后制冷片以13W的功率给盖板制冷，当盖板表面指定点温度为25℃时，分析外表面的温度分布情况，并给出外表面温度分布云图，以及温度在外表面直径上的分布函数图形。
7.1 底盖板材料为OCr15Ni5Cu2Nb
制冷片以13W的功率给盖板制冷，制冷到48s时，上盖板给定位置处温度由30℃下降至25℃，如图14所示。此时表面温度分布云图如图15。
图14 指定点温度降至25℃
图15 指定点温度降至25℃时外表面温度云图
当指定点的温度降到25℃时，在盖板表面处指定一路径如图16所示，得到该路径的外表面温度分布数据梯度如图17。
图16 盖板指定路径
图17 盖板指定路径温度分布梯度
在制冷片制冷过程中，盖板的最高温度和最低温度的温差随制冷时间的增加而变化，变化曲线如图18所示。
图18 盖板温差随时间变化曲线
7.2 底盖板材料为铝合金LY12
制冷片以13W的功率给盖板制冷，制冷到56s时，上盖板给定位置处温度由30℃下降至25℃，如图19所示。此时表面温度分布云图如图20。
图19 指定点温度降至25℃
图20 指定点温度降至25℃时外表面温度云图
当指定点的温度降到25℃时，在盖板表面处指定一路径如图21所示，得到该路径的外表面温度分布数据梯度如图22。
图21 盖板指定路径
图22 盖板指定路径温度分布梯度
在制冷片制冷过程中，盖板的最高温度和最低温度的温差随制冷时间的增加而变化，变化曲线如图23所示。
图23 盖板温差随时间变化曲线
8 结论和改进方案
由以上第6节和第7节温度计算，可以得出：
（一）制冷片加热
1）制冷片加热，使盖板指定点温度由-10℃上升到-5℃。当底盖板材料为OCr15Ni5Cu2Nb时，加热时间为47s，当底盖板材料为铝合金LY12时，加热时间55s。可知，底盖板的导热性能越好，盖板达到指定温度所需要的加热时间越长。
2）盖板指定点温度达到-5℃时，底盖板两种材料指定路径上的温度分布梯度对比如图24所示。可知当底盖板材料为铝合金LY12时温度梯度变化较平缓。
3）制冷片加热，盖板指定点温度达到-5℃，底盖板为两种不同材料时，盖板表面最大温差随时间变化曲线如图25所示，可知当底盖板材料为铝合金LY12，导热性能较好，盖板表面的温差变化较小。
图24 不同材料盖板指定路径温度分布梯度
图25 盖板温差随时间变化曲线（加热）
（二）制冷片制冷
1）制冷片制冷，使盖板指定点温度由30℃下降到到25℃。当底盖板材料为OCr15Ni5Cu2Nb时，制冷时间为48s，当底盖板材料为铝合金LY12时，制冷时间56s。可知，底盖板的导热性能越好，盖板达到指定温度所需要的制冷时间越长。
2）盖板指定点温度达到25℃时，底盖板两种材料指定路径上的温度分布梯度对比如图26所示。可知沿着指定路径方向，前半程当底盖板材料为OCr15Ni5Cu2Nb时温度梯度变化较平缓，后半程当底盖板材料为铝合金LY12时，温度梯度变化较平缓。
3）制冷片制冷，盖板指定点温度达到25℃，底盖板为两种不同材料时，盖板表面最大温差随时间变化曲线如图27所示，可知当底盖板材料为铝合金LY12，导热性能较好，盖板表面的温差变化较小。
图26 不同材料盖板指定路径温度分布梯度
图27 盖板温差随时间变化曲线（制冷）
综合上述结论分析，建议采取以下措施减小盖板表面温差变化：①改变下盖板材料；②增加盖板厚度；③增大制冷片与盖板的接触面积；④盖板制冷片的功率。
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