一种投影仪吊箱的温度场分析

温度场与流场的优化是投影仪吊箱设计中的重要问题，但优化研究既不能仅仅依靠简单的数理方程，也不能完全依赖于实验，因为实验过程中时仪器的存在会破坏流场和温度场的分布。本文采用模拟分析的方法对投影仪吊箱内温度场分布进行研究，在合理的假设条件下， 建立投影仪吊箱温度场的数学模型， 利用有限元分析软件Ansys 计算了在投影仪工作时的吊箱的温度场， 模拟了箱体内温度分布规律及变化趋势，从而可以根据结论进一步优化设计箱体散热系统，达到提高投影仪稳定性及延长使用寿命的目的。

【关键词】投影仪吊箱 温度场 Ansys 散热系统

目前，多媒体教学已经在全国各高校中普及，投影仪和计算机作为主要的多媒体教学设备，正发挥着越来越重要的作用。通常情况下，为了节省空间，投影仪一般通过悬挂设备悬挂于屋顶，而较多情况下为了防盗和防尘会将投影仪放入较为密闭的吊箱内。但是，投影仪位于高处，长期处于高温气流环境中工作，易出现死机等现象，投影仪工作的稳定性较差，减少了投影仪的使用寿命。因此在吊箱内安装散热系统就十分必要了，但散热系统的安装位置及工作方式的合理设定直接影响到散热效率，如果散热系统不能快速将投影仪周围的热量及时排走的话，就会使散热系统失去意义，而且还浪费了大量的电能。因此分析吊箱内温度场进而优化箱体散热系统就十分必要了。

1 研究方法

本论文主要通过数值模拟，同时辅以实验的方法，以某型号投影仪吊箱为研究对象，分别研究其处于稳态和非稳态时的温度场进行数值模拟分析，为投影仪吊箱散热系统的设计提供理论依据。研究内容如下：

（1）建立该投影仪吊箱的物理模型模型，通过测试实验分析该模型的可行性。

（2）在稳态、内部投影不工作的情况下，应用Ansys软件对其内部温度场进行模拟研究，确定外部环境对箱体内温度场的影响，并且可以确定散热模块最佳的安装位置。

（3）在非稳态、内部投影仪正常工作的条件下，应用Ansys软件对其内部温度场进行模拟研究，确定非稳态下箱体内温度场的分布，继而将两种计算结果进行比较以进一步确定散热系统最佳设计方案，本部分为主要研究内容。

（4）通过对数值计算结果的对比分析，对投影仪吊箱物理模型进行优化。

2 模型分析

2.1 物理模型

本文针对某型号投影仪吊箱进行分析，如图1所示，该箱体是由顶盖、底板、前门、后门和两块侧板组成，其材料为1mm厚的铁皮，在箱体的两块侧板上装有带防尘网的散热孔，在顶盖上固定安装孔，箱体前面有圆形投影仪镜头孔，直径80mm。投影仪安装位置如图，以O为坐标原点，X，Y，Z轴如图所示，投影仪中心位置坐标为（170，210，140），投影仪内装有散热风扇，不断地把投影仪产生的热量排到外部环境中，其散热出风口位于X=340的平面上，风向沿X方向。

2.2 箱体结构分析的基本假设

（1）由于箱体为对称结构且投影仪安装在箱体中央因此整个结构具有轴对称或近似轴对称结构，边界条件也是轴对称，所以温度场分布也是轴对称的。

（2）忽略箱体向外的辐射导热。

（3）投影仪工作时，由于投影仪在不断地向箱体内排放热量，其箱内温度随时间而不断变化，既温度场是非稳态的。投影仪不工作时，属于稳态过程。

3 ANSYS模拟过程

3.1 温度场的定义

材料在每一个点的温度采集系统被称为温度场。这是一个时间和空间坐标的函数。温度，通常是空间坐标（x，y，z）和时间变量的函数，即T =（x，y，z，T）。这是一个三维非稳定温度场，导热温度场的三维非稳态导热。不随着时间的推移被称为稳定的温度场，温度场的T =（x，y，z），此时的三维稳定导热。一维和二维温度场，可以分别表示为稳定状态，当T = f（x）和T = f（x，y），不稳定状态。如图1所示。

3.2 运用ANSYS 进行热分析的一般步骤

运用ANSYS对投影仪吊箱进行热分析的步骤如下：（1）依照箱体的物理模型与实际尺寸建立包括箱体、投影仪、半导体散热器的三维计算模型；（2）定义热分析的类型，即确定“非稳态热传导”；（3）确定箱体的材料组成，设置模型的材料属性，并将三维计算模型进行有限元划分；（4）加载边界条件和初始条件分别应用于模型的边界，只需选择对流边界条件，对流传热系数和温度，然后分析；（5）计算结果的后处理，如计算模型或部分的温度分布和热通量分布等等。

3.3 热分析

热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取

或损失、热梯度、热流密度等。箱体物质系统所处的温度场为这是三维非稳态温度场，在此温度场中发生的导热为三维非稳态导热。导热主要方式为热对流，指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。有限空间的空气流数学语言描述如下：

（1）

箱体由铁皮包裹，关键参数换热系数125W/*K，钢板的比热为460J/kg*℃，密度为7850kg/m?，导热系数为50W/m*K，采用热分析单元SOLID90，二十节点六面体单元。

投影仪吊箱为半封闭式结构，内部有唯一热源投影仪，当投影仪内半导体受到光照或者加有电压时，即变为非热平衡状态，其中的载流子称为非平衡载流子。非平衡载流子浓度与外界作用有关，而且在外加作用去掉以后，非平衡载流子浓度将要随着时间而发生衰减，最后又将逐渐回复到热平衡状态。

3.4 网格划分

依照箱体的物理模型与实际尺寸建立模型。利用有限元思想，确立单元密度。有限元分析，也称FEA，它把结构分解成离散的单元，精度取决于单元的尺寸和分布。划分网格之前一般都需要对网格密度进行必要的控制。合理的单元网格密度是获得高精度结果的保证，确保准确捕捉场量的分布和梯度变化。单元阶次与有限元的计算精度有着密切的关联，单元一般具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为高阶单元。高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数，所以增加单元阶次可提高计算精度。但增加单元阶次的同时网格的节点数也会随之增加，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模相对较大，因此在使用时应权衡考虑计算精度和时耗。采用Full Graphics，以全局密度单元0.1，将箱体模型网格化如图2所示。

3.5 初始条件与边界条件

初始条件即模型中各点的初始温度，边界条件即模型外边界温度.均根据模拟投影仪工作功率所推算出的内部空间初始温度、直接通过箱体表面的温度变化模拟箱体内空气的降温过程.为了使计算结果更具可靠性，修正公式如下：

（2）

对于气体流动问题，可以设置壁面无滑移，也可以指定壁面切向速度分量（壁面平移或者做旋转运动），也可以给出壁面切应力从而模拟壁面滑移。壁面热边界条件包括固定热流量、固定温度、对流热传导、外部福射热传导、外部福射热传导与对流热传导的结合等，对于作为两个区域之间界面的壁面（例如，共轭热传导问题中的流、固界面），系统会默认为是导热与对流的合换热。本文所做计算涉及到的壁面热边界条件有：固定温度、对流热传导以及导热与对流的合换热。

3.6 载荷的施加

有限元分析的主要目的是检查在反应一定的载荷条件下的结构或组成部分。因此，在分析中指定的条件适当的负载是关键的一步。在ANSYS程序，可以使用多种方式载荷模型，并借助载荷步选项，可以控制加载解决方案中如何使用它。施加载荷，可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷：恒定的温度、热流率、热流密度、生热率。

在开始求解时，将实体模型载荷自动转换到有限元模型。将实体模型载荷与有限元模型载荷、藕合或约束方程混合起来，转换过的实体模型载荷将取代现有的节点或单元载荷，而不管这些载荷的输入顺序。

3.7 结果分析

影响箱体温度的主要因素包括：箱体材质、工作时限、外界环境温度、半导体散热器工作效率、投影仪的本体散热。综合模拟结果如图3所示。

由模拟结果可以看出，投影仪本体的单向散热和箱体的半封闭式结构致使箱体单侧温度明显高于其他部分，热量的集中间接提高了导热的效率。若高热侧开启对流通道，将高效的降低投影仪工作温度，提高工作时限。因此，半导体散热系统加装于高热侧。

在稳态、内部投影不工作的情况下，其温度场分布均匀，可知箱体外部环境对非稳态时的温度场分布影响较小，因此可以忽略。

4 结论

（1）对于非稳态情况下箱体内温度场的分析和研究可以得出结论，散热系统的热量外排模块和制冷模块的安装位置对温度场分布影响较大。此结论为箱体物理结构优化提供了思路。

（2）外部温度对于箱体内温度场分布有所影响，但影响相对较小，因此在设计散热系统时可不用考虑

（3）通过计算结果和实验数据的比较， 验证了本文所采用的数学物理模型及计算结果的可靠性，为箱体散热系统的设计提供了理论依据。

参考文献

[1]雷强萍.半导体冷箱温度场模拟及性能优化[J].南昌大学报，2012（12）：2-4.

[2]罗勇，常冰，张子辉，张贵荣.高热流密度自然对流条件下改善热传导性能的实验研究[J].流体机械，2003，31 （11）：45-46.

[3]单晓，胡欲立.基于Ansys的机械密封环温度场分析[J].与密封，2006（9）：117-119.

[4]张登春，翁培奋.载人列车车厢内空气流场温度场数值模拟[J].系统工程与电子技术，2005（6）：20-25.

[5]刘宗霭，朱洪波.基于单片机的智能投影仪吊架[J].信息通信，2013（1）：64-65.

作者简介

李涵（1993-），男，江苏省徐州市人。大学本科学历。研究方向为电子信息工程。

赵志勇（1991-），男，河北省承德市人。大学本科学历。研究方向为光信息科学与技术。

刘宗霭（1990-），男，山东省烟台市人。大学本科学历。研究方向为测控技术与仪器。

方欣栋（1992-），男，山东省烟台市人。大学本科学历。研究方向为通信工程。

作者单位

1.中北大学信息与通信工程学院 山西省太原市 030051

2.中北大学仪器与电子学院 山西省太原市 030051