熱傳遞技術於戰情中心應用之研究

海軍少校　歐招輝

提　　要：
戰情中心其主要任務為遂行指管作戰，其目的係依敵情威脅指揮特定部隊或武器
裝備能在空中、海上、地面等作戰環境中接戰，在科技不斷的進步的今日，資訊
設備應用於指管作戰亦愈來愈廣，隨著半導體及光電產業技術不斷的更新，資訊
設備也愈做愈小，但是單位面積愈小之裝備，其熱散的問題亦愈值得重視，因此
各級作戰中心在實施設施整建時，均採購大噸數之空調設備，來達成環境之要求
，以熱傳遞之觀點探討，足夠噸數之空調規劃雖不可或缺，但空間流場之規劃亦
是將裝備所產生之熱量順利帶走之主要因素，因此有效的設計空間之流場將可有
效節約能源，樽節國防經費之開支，本文將以一電腦資訊中心為例，運用商用之
ANSYS軟體模擬空間內所擺設之資訊設備發熱量及熱散之狀況，並藉此一模型將提
供國軍未來建構戰情中心時，更有效的運用空調設備來達成環境限制之參考，俾
有效將裝備所產生之熱量帶走，維持裝備之妥善運作，提昇裝備可靠度及可用度。
關鍵詞：戰情中心、熱傳遞、熱對流、熱輻射、ANSYS軟體、雷諾數牛頓流體、熱
負載、自然對流、強制對流

壹、前言
系統中若存有溫度差的條件下，能量會從一個物體轉移到另一個物體，或從物體
的一部分轉移到另一部分的過程稱為熱傳遞，在熱傳遞過程中，一般用熱量來量
度內能的變化，熱傳遞又分為熱傳導、熱對流、熱輻射。在實際上熱傳導、熱對
流、熱輻射這三種熱傳遞方式常常同時並存，熱量是由於接觸而引起的能量變化
，傳熱是基於系統與外界溫度不一致而傳遞的能量，亦即是熱力學系統與外界或
系統各部分間存在溫度差發生傳熱時所傳遞的能量，熱傳導分析技術目前經常被
應用於微機電(Micro-electro-mechanical System Technology MEMS)及積體電路
(IC)之製程，許多微測感應器之薄膜材料之熱傳導係數(Thermal Conductivity 
Coefficient，TCC)對於其性能之表現具決定性之地位，對積體電路來說，當元件
愈做愈小，單位面積所產生的熱密度越高，愈容易造成系統的不穩定性及裝備之
故障，而目前國軍之戰情中心內之設備多數均為通、資、電裝備，其組成元件主
要為積體電路，若空間流場、空調規劃不良，即可能肇致裝備燒毀進而影響戰備
任務，近年來國軍積透過戰術數據鏈路之建置，提昇各作戰中心、地面雷達站等
之指、管、通、情、監、偵能力，各陣地內所安裝之裝備亦不外乎通、資、電之
相關設備，在設施整建規劃若無法滿足裝備運作基本需求，終將影響系統運作之
穩定性，本文即以電腦資訊中心為模型，運用商用ANSYS軟體執行空間之熱流場分
析，俾提供國軍各級戰情中心於實施設施整建時周延考量空間流場設計，以達系
統所需之環境限制條件，使系統穩定運作，一般國軍戰情中心之運作環境整建，
均必須符合適合裝備運作及人員24小時值班之需求，有關之設施整建項目不外乎
土木、水電、空調等，它的設計必須足以穩定裝備運作，俾有效隨時掌控敵情狀
況及指揮武器接戰，本文以電腦資訊中心主機房替代，模擬長60公尺、寬40公尺
、高20公尺之戰情中心，三維幾何模型乃利用ANSYS 5.7版之軟體所構建之簡化模
型，(如圖一)所示。
貳、基本假設與數值方法
一般探討熱流問題，通常以雷諾數(Reynold number)的大小來判斷流場為層流或
紊流，以飛機機翼之光滑平板流為例，流體流動的方向以始端(Leading edge)起
算的縱向距離(Longitudinal distance)，當雷諾數超過時，可視為紊流流場，但
臨界的雷諾數其實只是經驗上所觀察之近似之粗略結果，實際上臨界雷諾數之範
圍可取在至附近之間〔註一〕，由於電腦資訊中心內空調出風口速度遠小於音速
1馬赫，故可視為不可壓縮流動﹐其黏滯耗散可忽略〔註二〕，因為空氣的剪應力
與剪應變成線性關係，故為牛頓流體，原連續方程式(Continuity Equation)


隨著溫度而改變的黏滯係數僅使剪應力與剪應變關係的斜率產生變化，(如圖二)
所示，我們可用牛頓冷卻定律來解釋此熱傳導現象〔註三〕，其中q為熱流量，h
為表面熱對流係數，A為與壁面接觸之表面積，為固體表面溫度，為流體溫度。
………………………(2)
完整之熱傳問題分析除應有質量、動量及能量的守恒統御方程式與邊界條件外，
仍須仰賴於各種數值方法的應用，而最常用的數值方法為有限差分法及有限元素
法，就熱傳的數值方法最早發展出來的則是有限差分法〔註四〕，基本上它可以
用純粹的物理概念，如各種守恆關係，列出聯立有限差分代數方程式，亦可以根
據基本的複雜偏微分方程式，以泰勒級數序列展開法，導出聯立有限差分代數方
程式，其兩者相同之處均為將其所考量之物理模型，分成很多小的區域，稱為網
格或節點，其每一個節點各自所相關聯的小區域溫度變數將視為常數，且以該節
點之溫度值表示之，因此我們可以說每一個節點都有一個區域性之變數守恆代數
式，所有節點代數式的聯立便構成整個系統的統御代數方程式，然而整個系統網
格、節點化後有限差分法會呈現一些限制，一般而言節點的分隔要與系統的座標
方向一致，但對於不規則幾何結構問題，數值化便要有某種程度之妥協，其次在
物理模型之建立上其規則性也較低，有限元素法其發展主要源自於微分變分法〔
註五〕，所謂微分變分法它是再尋找一個函數，u(x)，使得下列的複雜函數積分
值為最小值，


上式中的代表對x的微分，當然對u(x)要滿足在邊界x=0及x=L，的某種條件，這些
所有的u(x)中數值如何使I為最小便是我們所需之解，在求得其極小值的過程中會
包括微分方程式及邊界條件在內的系統熱傳問題，所以整個物理模型系統也必須
網格、節點化，節點與節點間以直線相互連接而成為所謂之元素，這些元素都相
關著一個我們要求之極小的複雜函數積分方程，求解的過程中即是要解算出系統
內所有元素的溫度分佈，理論上每一元素的該複雜函數積分都是極小值，本文用
來模擬國軍戰情中心裝備運作熱傳問題之ANSYS軟體，即以有限元素理論撰寫而成
，且適用於複雜幾何外型之計算域。
參、物理模型之評估
針對本文以電腦資訊中心代替模擬之戰情中心，將針對各種熱傳機制加以分析，
以探討裝備發熱量的熱傳現象，來提供國軍做為戰情中心設施整建空間流場規劃
之參考依據，根據一般熱設計審查之原則，我們將針對下列要點加以分析評估：
一、物理模型之幾何結構
物理模型之幾何結構為整個分析模型的基礎，藉由詳細的尺寸大小、構造方式，
分析時可幾經由經驗和專業來研判其所欲分析之問題，並建立起相關之分析模型
。
二、熱負載
熱負載通常指的就是戰情中心內各裝備運作所產生之發熱量，其他如陽光照射、
自然界之火災加熱均是熱負載之一種，分析時應詳加考慮空間內會對運作環境產
生影響之熱對流係數及各裝備發熱量，逐步於商用之套裝軟體ANSYS中設定，根據
每部裝備運轉時所產生之熱功率(如表一)，我們可求得裝備機體表面之熱通率，
做為分析戰情中心裝備運作熱移除功能的評估基礎。
三、物理性質資料
物理性質資料是在對戰情中心熱散機制加以驗證時不可或缺之條件，同時也是分
析者必須詳加考慮之因素，因為不同之物質材料會有所不同，同時也會對分析結
果產生影響，而材料之物理性質應包括所有從事分析時用到的數值，重要的有熱
傳導度、密度、比熱、表面發散率等。
四、邊界條件
邊界條件是指戰情中心裝備運作時所產生之熱負載，及空間流場之熱對流係數等
，在從事熱傳分析時，對於所欲分析之問題，往往必須給定相對應之ㄧ些邊界條
件，但若能詳加考慮各種邊界條件的準確度及變化性，必能對分析的準確性有很
大的幫助，重要之邊界條件包含熱對流、熱傳導係數、熱通量、固定溫度分佈及
等效熱傳導度等。
流體依靠其宏觀流動而實現的熱傳遞過程稱為熱對流，其特點為熱量傳遞的同時
，伴隨著大量分子的定向運動，熱對流又分為自然對流和強迫對流〔註六〕分述
如後：
一、自然對流
當流體內部存在溫度梯度，進而出現密度梯度時，高溫處流體的密度一般小於低
溫處流體的密度(水在0～4℃的反常膨脹等除外)，如果密度由小到大對應於它們
在空間的位置是由低到高，則受重力作用，流體便開始流動，又由於高溫處分子
無規則運動的平均動能較低溫處大，從而出現了熱量由高溫處傳向低溫處的現象
。
二、強制對流
靠外來作用使流體作循環流動﹐從而進行熱量傳遞，稱為強制對流，一般常見流
體之對流熱傳係數詳(如表二)。
熱對流邊界條件作用在設施表面上，主要將是來自於空氣自然對流所造成的，垂
直面或水平面上的熱傳係數也有所不同，一般為了也將熱輻射考慮進來，使其成
為線性邊界條件，可定義有效熱輻射傳導係數，並且與熱對流係數合併為單一邊
界條件處理，依目前自然對流的情況下，將熱輻射效應考慮進來時，大約會使熱
傳導係數變成兩倍，如果所分析之模型，若其邊界條件為自然對流的條件下，其
熱輻射效應，應該考慮不可省略，但若所分析模型其邊界條件為強制對流或是熱
沸騰傳導的條件下，熱輻射所佔之比例，便因為太小而可忽略。
肆、分析數據比較
一、當熱對流係數為50w/m℃分析所得之等溫圖，各點溫度分佈狀況，(如圖三)所
示。
二、當熱對流係數為100w/m℃分析所得之等溫圖，各點溫度分佈狀況，(如圖四)
所示。
三、當熱對流係數為150w/m℃分析所得之等溫圖，各點溫度分佈狀況，(如圖五)
所示。
四、當熱對流係數為200w/m℃分析所得之等溫圖，各點溫度分佈狀況，(如圖六)
所示。
五、當熱對流係數為250w/m℃分析所得之等溫圖，各點溫度分佈狀況，(如圖七)
所示。
六、當熱對流係數為300w/m℃分析所得之等溫圖，各點溫度分佈狀況，(如圖八)
所示。
伍、分析結果探討
當以資訊中心主機房代替所模擬之戰情中心內之空調溫度為18℃，熱對流係數為
50-300w/m℃時，得之等溫圖變化，比較其空間內各點之溫度分佈變化情形所得之
結果分述如後：
一、在熱對流係數為50w/m℃時，其空間溫度分佈為40℃-43℃之間，裝備運作所
產生的熱量將無法順利被帶走。
(二)在熱對流係數增加1倍，其熱對流係數為100w/m℃的同時，主機房內的溫度大
幅下降到29-31℃之間，大大的改善了空間內熱散之問題。
(三)當熱對流係數增加到150w/m℃的時後，我們發現溫度已被控制在25-27℃之間
，這時後我們逐漸發現溫度梯度變化較大區域出現於兩兩相臨距離較近的主機間
。
(四)當熱對流係數增加到200w/m℃的時後，主機房內之溫度已逐漸控制在較適合
裝備運作及人員工作的環境24℃左右。
(五)當熱對流係數增加到250w/m℃的時後，電腦資訊中心內之溫度為23℃左右，
與熱對流係數在200w/m℃時比較變化不大，代表空間內之溫度已趨於穩定狀態。
(六)當熱對流係數增加到300w/m℃的時後，空間內的溫度變化亦不大，此時我們
可發現空間溫度已被有效控制在22℃左右。
陸、結語
本研究係運用商用套裝分析軟體ANSYS，以電腦資訊中心主機房裝備運作時所產生
之熱量模擬國軍戰情中心裝備發熱量控制對裝備妥善之影響，經研究分析後所得
之結論分述如後：
一、當熱對流係數從50w/m℃增加到 100w/m℃時空間內之溫度變化最大，但是當
熱對流係數增加到200w/m℃以上時，空間內的溫度變化逐漸減小，由此可得知在
熱對流係數越小時空間內最高溫發生在兩部大型主機上，然而當熱對流係數增加
到200w/m℃以上時，空間內之溫度已逐建趨於穩定，此時熱源集中在兩兩相臨距
離較近之主機間，顯示空間位置之擺設設計亦受到熱間隙之屏障效應。
二、兩相臨之主機運作時所產生之熱對流影響，以距離因素影響最大，距離相鄰
愈大兩相鄰裝備所受到之熱交叉影響愈小，溫度累積亦越小。
三、一般探討熱流問題，通常以雷諾數(Reynold number)的大小來判斷流場為層
流或紊流，通常雷諾數的大小會直接影響流場溫度分佈之狀況，在雷諾數增加時
，熱對流效應也隨之增加，讓溫度場邊界層厚度變薄，提高了熱傳遞之效果。
四、不同主機裝備的高度，亦對流場溫度分佈狀況產生不同程度之影響，裝備的
高度越高會使得靠近該裝備之流場溫度，被該裝備運作時所產生之表面溫度所牽
引，使得散熱路徑得以延長，因此在相同的熱對流係數下，幾何形狀高度較高之
裝備其熱傳效果比高度較低之裝備好。

〔註釋〕
註一：White. F. M. 1991. Viscous Fluid Flow. Mc Graw-Hill Publishing C
o. Singapore. PP.81-86,394-433.
註二：Panton, R., L., 1996, Incompressible Flow, John Wiley & Sons, In
c., Canada.
註三：J.P. Holeman, Heat Transfer,Chap.1,McGraw-Hill,1997.
註四：Suhas V. Patankar,“Number Heat Transfer and Fluid Flow”, Hemis
phere Publishing Corp.
註五：Glen E. Myes, “Analytical Methods in Conduction Heat Transfer”
, University of Wisconsin-Madison,1970.
註六：楊世銘主編：《傳熱學》，人民教育出版社，北京，1980年。