不銹鋼-氣氮板式熱沉仿真研究

魏龍濤，楊建斌，閆格

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與分析研究

不銹鋼-氣氮板式熱沉仿真研究

魏龍濤，楊建斌，閆格

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

研究不銹鋼-氣氮板式熱沉中，氮?dú)鈮毫?、氮?dú)馊肟诹魉僖约盁岢磷陨砹鞯郎疃葘?duì)熱沉傳熱性能的影響。利用Ansys Fluent軟件，對(duì)板式熱沉壁面溫度分布情況以及進(jìn)出口壓力損失進(jìn)行模擬仿真。提高氮?dú)鈮毫偷獨(dú)馊肟谒俣瓤梢蕴嵘裏岢恋臏囟染鶆蛐裕珶岢吝M(jìn)出口壓力損失也會(huì)增大。對(duì)于氣氮-板式熱沉而言，流道深度的改變對(duì)熱沉溫度均勻性的影響不大，但流道深度較小時(shí)，進(jìn)出口壓力損失較大。建議在設(shè)計(jì)氣氮-板式熱沉?xí)r，流道深度選擇在8~10 mm，外流程中氮?dú)鈮毫刂圃?.3～0.4 MPa，氮?dú)饬魉倏刂圃?0 m/s為宜。

板式熱沉；氮?dú)?；流道深度；有限元仿?/p>

目前國(guó)內(nèi)外空間環(huán)境模擬設(shè)備[1]中的熱沉主要有兩種形式：一種是在不銹鋼支管上焊接銅翅片，形成管翅式熱沉，銅翅片接收到的輻射熱以熱傳導(dǎo)的方式與傳熱工質(zhì)換熱，傳熱阻力較大，且熱沉溫度均勻性較差；另一種形式是將兩層不銹鋼板以特定矩陣進(jìn)行激光焊接，然后再進(jìn)行整體成型和充壓脹型處理而形成的板式熱沉，傳熱工質(zhì)直接與熱沉表面換熱，換熱效率高，溫度均勻性好，并且自身熱容小（約為管翅熱沉的60%）[2-6]。國(guó)內(nèi)已有諸多學(xué)者對(duì)管翅式熱沉和板式熱沉進(jìn)行了研究，王龍龍等人[7]對(duì)管翅式-氣氮熱沉的管徑比、支管間距進(jìn)行了研究。袁修干等人[8]提出了改進(jìn)管翅式-液氮熱沉溫度均勻性的理論計(jì)算和工程設(shè)計(jì)方法。張磊等人[9-10]研究了液氮流速、流道深度、流道間距以及進(jìn)出口方式對(duì)板式熱沉換熱性能的影響。

氣氮調(diào)溫作為一種新型的控溫系統(tǒng)，因其調(diào)溫范圍寬、控溫精度高等被廣泛應(yīng)用于大多數(shù)國(guó)家新研制的環(huán)模設(shè)備中[11]。文中利用流體力學(xué)和有限元分析方法，借助Ansys Fluent 19.2計(jì)算平臺(tái)，對(duì)以氮?dú)庾鳛閭鳠峁べ|(zhì)，處于穩(wěn)態(tài)時(shí)的板式熱沉溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，研究了循環(huán)氮?dú)鈮毫?、氮?dú)馊肟谒俣纫约傲鞯郎疃葘?duì)熱沉壁面溫度均勻性的影響，為熱沉的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

1 幾何模型

本次模擬仿真的熱沉有效尺寸為1700 mm× 2300 mm，從中間等分為兩段，每段中間又用折流板隔成3份，形成一個(gè)長(zhǎng)流道，每段各設(shè)一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口。主管管徑為50 mm，支管管徑為32 mm，進(jìn)液方式為下進(jìn)上出。矩陣焊點(diǎn)為菱形排布，邊長(zhǎng)60 mm，焊點(diǎn)外圈直徑為14 mm，具體加工工藝可參考文獻(xiàn)[4]。由于熱沉為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算量，只對(duì)其1/2進(jìn)行仿真計(jì)算，簡(jiǎn)化后的熱沉結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱沉幾何模型

2 理論建模與數(shù)值求解

仿真模型的建立需要做以下假設(shè)：定常流動(dòng)；工質(zhì)為不可壓縮的牛頓流體；重力和由于密度差所引起的浮力均忽略不計(jì)；由于工質(zhì)為氮?dú)?，忽略流體流動(dòng)時(shí)的黏性耗散所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

2.1 數(shù)學(xué)模型

流體的流動(dòng)與傳熱包括3個(gè)基本方程：連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，分別為：

式中：、、分別為速度在、、方向上的速度分量。

2.2 計(jì)算工況與邊界條件

文中主要研究在穩(wěn)態(tài)下，改變循環(huán)氮?dú)鈮毫?、入口氮?dú)饬魉僖约盁岢亮鞯郎疃葘?duì)熱沉表面溫度均勻性和熱沉進(jìn)出口氮?dú)鈮毫p失的影響，具體計(jì)算工況見表1。

表1 計(jì)算工況

Tab.1 Calculation conditions

利用Ansys Fluent19.2進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，采用速度入口、壓力出口，速度和壓力根據(jù)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行設(shè)定。入口氮?dú)鉁囟仍O(shè)置為373 K，熱沉外壁面與真空容器筒體之間只進(jìn)行輻射換熱，溫度設(shè)為300 K，輻射系數(shù)設(shè)置為0.1。空載時(shí)熱沉內(nèi)壁面之間無(wú)換熱，設(shè)置為絕熱條件。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)-模型，壓力速度耦合采用Simple算法。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 氮?dú)鈮毫?duì)熱沉溫度場(chǎng)的影響

研究氮?dú)鈮毫?duì)熱沉溫度場(chǎng)的影響時(shí)，保持熱沉入口氮?dú)馑俣葹?0 m/s，流道深度為10 mm，設(shè)置氮?dú)鈮毫Ψ謩e為0.1、0.3、0.5 MPa（溫度為373 K時(shí)的壓力）。不同氮?dú)鈮毫ο聼岢羶?nèi)壁面溫度場(chǎng)分布如圖2所示。取位于熱沉內(nèi)壁面中心面上流道中間等距的6個(gè)點(diǎn)作為分析點(diǎn)（如圖1所示），對(duì)熱沉的溫度均勻性進(jìn)行研究。不同壓力下，熱沉內(nèi)壁面上的溫差變化曲線如圖3所示，熱沉進(jìn)出口氮?dú)鈮毫p失曲線如圖4所示。

圖2 不同壓力下熱沉壁面溫度分布云圖

由圖3可知，氮?dú)鈮毫Ψ謩e為0.1、0.3、0.5 MPa時(shí)，熱沉內(nèi)壁面上的溫差分別為4.2、1.6、1.0 K，即熱沉的溫度均勻性隨著氮?dú)鈮毫Φ纳叨鰪?qiáng)，但并不呈線性關(guān)系。氮?dú)鈮毫τ?.1 MPa升高到0.3 MPa時(shí)，熱沉的溫度均勻性增加了2.6 K；由0.3 MPa升高到0.5 MPa時(shí)，熱沉的溫度均勻性只增加了0.6 K。由此可見，當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫ι叩揭欢ㄖ禃r(shí)，繼續(xù)升高氮?dú)鈮毫?，熱沉的溫度均勻性將不再變化。由圖4可知，熱沉的進(jìn)出口壓力損失與氮?dú)鈮毫Τ式凭€性關(guān)系。隨著氮?dú)鈮毫Φ纳?，系統(tǒng)的能量損失也相應(yīng)增加，因此，建議氮?dú)鈮毫刂圃?.3~ 0.4 MPa。

圖3 溫差隨壓力變化曲線

圖4 壓力降隨壓力變化曲線

3.2 入口速度對(duì)熱沉溫度場(chǎng)的影響

由于氮?dú)庠诠軆?nèi)的流速一般不超過(guò)25 m/s，故本次只研究入口氮?dú)馑俣确謩e為15、20、25 m/s時(shí)，氮?dú)馑俣葘?duì)熱沉溫度場(chǎng)的影響。設(shè)置氮?dú)鈮毫?.3 MPa，流道深度為10 mm。不同入口速度下，熱沉內(nèi)壁面的溫度分布如圖5所示，熱沉內(nèi)壁面上的溫差隨入口速度的變化曲線如圖6所示，熱沉進(jìn)出口壓力降隨入口速度的變化曲線如圖7所示。

圖5 不同入口速度下熱沉壁面溫度分布云圖

由圖6可知，當(dāng)入口速度分別設(shè)置為15、20、25 m/s時(shí)，熱沉內(nèi)壁面上的溫差分別為2.1、1.6、1.2 K。溫差隨著入口速度的增大以近似線性的關(guān)系減小，即增大氮?dú)馊肟谒俣?，可以提高熱沉溫度均勻性。由圖7可以看出，隨著入口速度的增大，熱沉進(jìn)出口壓力降也以近似線性的關(guān)系增大。入口速度為25 m/s時(shí)，熱沉進(jìn)出口壓力降約為12 866 Pa，能量損失較大。因此，氮?dú)馊肟谒俣炔⒉皇窃酱笤胶?，入口速度選擇20 m/s左右比較合適。

圖6 溫差隨入口速度變化曲線 Fig.6 Curve of temperature difference with inlet velocity

圖7 壓力降隨入口速度變化曲線Fig.7 Curve of pressure drop with inlet velocity

3.3 流道深度對(duì)熱沉溫度場(chǎng)的影響

研究流道深度對(duì)熱沉溫度均勻性的影響時(shí)，保持氮?dú)馊肟谒俣葹?0 m/s，氮?dú)鈮毫?.3 MPa，流道深度分別設(shè)置為5、8、10、12、15、20 mm。不同流道深度的熱沉溫度分布如圖8所示，熱沉內(nèi)壁面上溫差隨流道深度的變化曲線如圖9所示，熱沉進(jìn)出口壓力降隨流道深度的變化曲線如圖10所示。

圖8 不同流道深度的熱沉溫度分布云圖

由圖9可知，在流道深度由5 mm增加到2 0mm的過(guò)程中，熱沉內(nèi)壁面上的溫差僅變化了0.3 K。因此，就氣氮-板式熱沉而言，流道深度對(duì)熱沉的溫度均勻性影響不大。由圖10可以看出，當(dāng)流道深度由5 mm增加到8 mm時(shí)，熱沉的進(jìn)出口壓力降由16 083 Pa降低到9053 Pa，壓力損失減小了1/2左右。隨著流道深度的增加，壓力損失也逐漸減小，但減小幅度開始變緩，且流道深度增大，熱沉的加工難度也會(huì)增加。因此，建議熱沉的流道深度選擇在8~10 mm之間較為合適。

圖9 溫差隨流道深度變化曲線

圖10 壓力降隨流道深度變化曲線

4 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)板式-氣氮熱沉的仿真與分析，可以得出以下結(jié)論。

1）提高氮?dú)鈮毫?，有利于增?qiáng)熱沉溫度均勻性，但當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫Τ^(guò)0.3 MPa后，熱沉的溫度均勻性提高并不顯著，且氮?dú)鈮毫μ岣吆鬅岢恋倪M(jìn)出口壓力損失也會(huì)增大。因此，建議氮?dú)鈮毫υ?.3~0.4 MPa之間。

2）增大氮?dú)馊肟谒俣龋瑹岢翜囟染鶆蛐詴?huì)相應(yīng)提升，同時(shí)，熱沉進(jìn)出口壓力損失也會(huì)增大，建議氮?dú)馊肟谒俣?0 m/s左右。

3）對(duì)于氣氮-板式熱沉而言，流道深度的改變對(duì)熱沉溫度均勻性的改善作用不大，但流道深度較小時(shí)，熱沉的進(jìn)出口壓力損失很大。建議在設(shè)計(jì)氣氮-板式熱沉?xí)r，流道深度取8~10 mm為宜。

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Simulation Study of Stainless Steel-Gas Nitrogen Plate Heat Sink

WEI Long-tao, YANG Jian-bin, YAN Ge

(Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China)

The paper aims to study the effect of nitrogen pressure, nitrogen inlet flow rate and the depth of the heat sink channel on the heat transfer performance of the heat sink in the stainless steel-gas nitrogen heat plate heat sink.Ansys Fluent software was used to simulate the wall surface temperature distribution as well as inlet and outlet pressure loss of the plate heat sink. The temperature uniformity of heat sink could be improved by increasing nitrogen pressure and nitrogen inlet velocity, but the loss of heat sink inlet and outlet pressure would also increase. For gas-nitrogen plate heat sink, the change of channel depth had little effect on the uniformity of heat sink temperature, but when the channel depth was small, the pressure loss of inlet and outlet was large. It is suggested that when designing the gas-nitrogen plate heat sink, the flow channel depth should be selected from 8 mm to 10 mm; in the external process, the nitrogen pressure should be controlled between 0.3 MPa and 0.4 MPa, and the nitrogen flow rate should be controlled at 20 m/s.KEY WORDS: plate heat sink; gas-nitrogen; depth of channel; finite element simulation

2019-12-08；

2020-01-27

10.7643/ issn.1672-9242.2020.05.015

V216

A

1672-9242(2020)05-0095-06

2019-12-08；

2020-01-27

魏龍濤（1994—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭臻g環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備。

WEI Long-tao (1994—), Male, Master, Research focus: space environment simulation test equipment.

楊建斌（1966—），男，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)橹评浼夹g(shù)及空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備。

YANG Jian-bin (1966—), Male, Master, Researcher, Research focus:refrigeration technology and space environment simulation test equipment.