環(huán)形磁場(chǎng)金屬等離子體源冷卻流場(chǎng)的數(shù)值模擬與優(yōu)化*

陳國(guó)華 石科軍 儲(chǔ)進(jìn)科 吳昊? 周池樓 肖舒2)?

1) (華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510641)

2) (香港城市大學(xué)物理與材料科學(xué)系, 香港 999077)

3) (寰球工程項(xiàng)目管理公司(北京)有限公司, 北京 100029)

環(huán)形磁場(chǎng)金屬等離子體源作為一種全新的等離子體源結(jié)構(gòu), 可用于產(chǎn)生高度離化、無(wú)大顆粒、高密度的離子束流, 但傳統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)不能保證其高效、均勻散熱, 大功率工作時(shí)可能引起密封膠圈的燒蝕失效, 需對(duì)其冷卻流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).利用Solidworks Flow Simulation 軟件對(duì)等離子體源冷卻流道進(jìn)行模擬, 分析出入水孔分布角度、孔數(shù)、孔徑以及入水孔高度對(duì)冷卻效果的影響規(guī)律, 并對(duì)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.結(jié)果表明, 增大水孔的周向分布范圍, 有利于提高散熱的均勻性; 入水孔設(shè)置在結(jié)構(gòu)上層有利于減少冷卻水的溫度分層現(xiàn)象, 使銅套和密封膠圈都處于較好的冷卻狀態(tài); 適當(dāng)減小孔徑有利于增大冷卻水射流速度, 增大湍流程度強(qiáng)化傳熱, 提高換熱效率.優(yōu)化后的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以提高冷卻水的利用率, 在相同流量條件下獲得更好的冷卻效果, 改善等離子體源的放電穩(wěn)定性, 為環(huán)形磁場(chǎng)金屬等離子體源的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 引 言

目前, 等離子體鍍膜技術(shù)在表面處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1?3].針對(duì)磁控濺射粒子離化率不高、可控性差、陰極弧存在“大顆?！钡葐?wèn)題, Kouznetsov等[4]在1999 年提出了高功率脈沖磁控濺射(high power impulse magnetron sputtering, HiPIMS)技術(shù), 離化率可達(dá)到60%—90%[5,6], 且束流中不含“液滴”[7,8], 但其放電不穩(wěn)定[9,10]、沉積速率低[11?13],并且對(duì)于不同靶材料, 其離化率差異顯著[14].針對(duì)HiPIMS 存在的不足, 吳忠振課題組[15]提出了一種基于空心陰極效應(yīng)的環(huán)形磁場(chǎng)金屬等離子體源結(jié)構(gòu), 可將濺射約束在筒形靶材內(nèi)部, 濺射粒子在腔內(nèi)反復(fù)碰撞、離化, 有效提高離化率.通過(guò)引出柵將腔內(nèi)離子引出獲得完全離化的束流實(shí)現(xiàn)工件表面的沉積, 而將“打弧”產(chǎn)生的“金屬液滴”留在腔內(nèi).同時(shí)引出的束流離開(kāi)了靶電壓鞘層, 不容易被回吸到靶面, 可提高薄膜沉積速率.

前期研究已對(duì)這種環(huán)形磁場(chǎng)金屬等離子體源結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化.針對(duì)磁場(chǎng)分布不均導(dǎo)致的靶面刻蝕不均和電子快速逃逸問(wèn)題, 通過(guò)在等離子體源兩端添加電子阻擋屏極和磁場(chǎng)補(bǔ)償, 提高等離子體放電強(qiáng)度、范圍和靶材刻蝕均勻性[16].然而, 這種裝置僅通過(guò)濃度差擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)等離子體向基體表面的輸送沉積, 輸送過(guò)程中離子損失較大, 薄膜的沉積速率沒(méi)有明顯改善.為此, 利用外加擴(kuò)展電磁場(chǎng)對(duì)離子的運(yùn)動(dòng)方向加以約束, 實(shí)現(xiàn)等離子體的聚焦和可控輸運(yùn), 從而減少離子損失, 提高沉積效率[17].最后, 對(duì)環(huán)形磁場(chǎng)金屬等離子體源中HiPIMS 的放電過(guò)程和粒子演化進(jìn)行了系統(tǒng)研究分析[18].

以上研究表明環(huán)形磁場(chǎng)金屬等離子體源能夠有效改善HiPIMS 技術(shù)存在的缺陷, 實(shí)現(xiàn)薄膜的高質(zhì)量高效率制備.然而, 等離子體源在放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量, 在高功率密度條件下工作若不能及時(shí)散熱冷卻將會(huì)對(duì)等離子體源內(nèi)部的密封膠圈等結(jié)構(gòu)件造成燒蝕損壞, 制約了等離子體源功率密度的進(jìn)一步提高, 因此提高其冷卻效率尤為重要.本文對(duì)其冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化, 借鑒隨形冷卻技術(shù)和模具型腔冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路[19,20], 將環(huán)形磁鐵與銅套等腔體結(jié)構(gòu)都浸泡在冷卻水中進(jìn)行直接換熱冷卻, 通過(guò)Solidworks Flow Simulation 軟件建立等離子體源冷卻流場(chǎng)的三維數(shù)值模型, 對(duì)其短路環(huán)上入水孔分布角度、數(shù)量、孔徑以及高度進(jìn)行系統(tǒng)研究, 分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)等離子體源內(nèi)部密封膠圈溫度與銅套溫度的影響,為環(huán)形磁鐵金屬等離子體源的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù), 以實(shí)現(xiàn)在相同冷卻水條件下獲得更高的冷卻效果, 改善等離子體源的放電穩(wěn)定性, 為進(jìn)一步提高其功率密度提供硬件支撐.

2 等離子體源流場(chǎng)的數(shù)值模擬

2.1 等離子體源物理模型

環(huán)形磁場(chǎng)金屬等離子體源簡(jiǎn)化模型如圖1 所示, 在短路環(huán)上設(shè)置出入水孔, 入水孔與出水孔數(shù)量一致且沿周向?qū)ΨQ分布, 冷卻水由進(jìn)水管進(jìn)入底板凹槽并沿著周向套豎直矩形槽分成數(shù)股經(jīng)入水孔進(jìn)入等離子體源腔內(nèi), 最后從另一側(cè)的出水孔流出.其中,h為入水孔高度,d為出入水孔直徑,α為出入水孔分布角度.為了獲得較高的濺射效率,提高束流密度, 濺射靶面平均功率達(dá)到50 W/cm2,其中約60%轉(zhuǎn)化成熱量并通過(guò)銅套傳導(dǎo)至等離子體源內(nèi)部, 通過(guò)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱.為了保證等離子體源的正常工作, 需要保證: 結(jié)構(gòu)件不被熔化(< 1000 ℃), 磁體不能退磁(< 300 ℃), 密封膠圈不被燒蝕( ≤ 200 ℃), 筒形銅套受熱較均勻.在輸入熱量、冷卻水條件相同的情況下, 通過(guò)改變孔數(shù)量、孔分布角度提高等離子體源的散熱性能, 在此基礎(chǔ)上再對(duì)孔徑、入水口高度進(jìn)行優(yōu)化, 進(jìn)一步降低膠圈溫度和提高溫度均勻性.

圖1 環(huán)形磁場(chǎng)金屬等離子體源簡(jiǎn)化模型Fig.1.Simplified model of cylindrical cathode with annular magnetic field.

2.2 相關(guān)假設(shè)及數(shù)學(xué)模型

在不影響等離子體源功能結(jié)構(gòu)以及冷卻效果的前提下, 作以下假設(shè):

1)因流道需要在短路環(huán)上開(kāi)孔, 認(rèn)為孔數(shù)量、孔徑、孔高度、孔分布角不會(huì)對(duì)等離子體源磁場(chǎng)產(chǎn)生影響.

2)采用水作為冷卻介質(zhì), 為不可壓縮的牛頓流體, 定常流動(dòng).

3)濺射發(fā)生在靶材內(nèi)表面, 濺射區(qū)域呈帶狀分布, 占靶面64%左右, 其導(dǎo)熱部件是紫銅, 導(dǎo)熱性良好, 因此假設(shè)熱源為均勻面熱源.

流體的流動(dòng)和換熱滿足連續(xù)性、質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動(dòng)量定律, 采用的控制方程為

式中,φ為通用變量;Sφ為廣義源項(xiàng);Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù), 所述廣義是數(shù)值計(jì)算模型方程中的一種定義, 不同求解變量間的區(qū)別除了邊界條件與初始條件以外, 就在于Γφ和Sφ的表達(dá)式不同; 其中ρ為密度;t為時(shí)間;?表示梯度;?·表示散度;U為速度矢量.

熱功耗均勻分布在銅套內(nèi)表面, 從銅套內(nèi)表面至外表面的熱傳導(dǎo)符合單層圓筒壁傳熱模型:

式中,Q為熱量;L為銅套高度;λ為銅套的導(dǎo)熱系數(shù);t1和t2分別為銅套內(nèi)、外表面的溫度;r1和r2分別為銅套內(nèi)、外表面的半徑.

熱量傳導(dǎo)到銅套外表面后與腔內(nèi)的冷卻水發(fā)生對(duì)流換熱, 冷卻水吸收的熱量為

式中,α為平均對(duì)流傳熱系數(shù);A為有效傳熱面積;ΔTm為傳熱平均溫差.

2.3 初始和邊界條件設(shè)置

對(duì)模型各部件材料物性參數(shù)進(jìn)行定義, 如表1所列.設(shè)置邊界條件, 進(jìn)水端采用壓力入口條件,如無(wú)特別說(shuō)明, 入口壓力都設(shè)置為5.0 × 105Pa 水壓, 初始溫度為20 ℃, 出水端采用壓力出口條件,設(shè)置為環(huán)境壓力(1.013 × 105Pa).熱源選取銅套內(nèi)表面, 在不同電源功率條件下設(shè)置相應(yīng)的不同熱源熱功耗.本文選取其中一種工況進(jìn)行模擬研究,熱功耗加載為2 kW.

表1 模型中各零部件材料物性參數(shù)Table 1.Material property parameters of each component in the model.

2.4 網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks 軟件建立模型, 并用SolidWorks Flow Simulation 對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分, 初始網(wǎng)格級(jí)別選擇為3 級(jí), 手動(dòng)定義最小縫隙尺寸為0.4 mm.以入水孔高度32 mm、孔徑4 mm、分布角度30°的六孔模型網(wǎng)格劃分為例, 總網(wǎng)格數(shù)為1481963, 其中流體網(wǎng)格數(shù)564680, 固體網(wǎng)格數(shù)917283, 如圖2 所示.

圖2 計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分Fig.2.Grid of computing mode.

2.5 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性, 加工得到入水孔高度32 mm、孔徑4 mm、分布角度30°的六孔環(huán)形磁場(chǎng)等離子體源, 采用直流磁控濺射在自主設(shè)計(jì)的真空系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行放電測(cè)試[15,16].真空腔長(zhǎng)和寬各600 mm, 高500 mm, 腔體材料為不銹鋼.采用直流濺射電源, 濺射靶采用內(nèi)徑120 mm、外徑132 mm、高50 mm 的環(huán)形銅靶(純度為99.9%).將背景壓力抽真空至1 × 10–3Pa, 通入純度為99.99%的高純氬氣, 測(cè)試不同功率下等離子體源的放電情況, 并通過(guò)紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)3, 6, 9 和12 kW這四種功率加載下出水端的冷卻水溫度.在實(shí)際放電過(guò)程中, 由于開(kāi)關(guān)管的飽和壓降、變壓器、電纜、電極及其他陰極結(jié)構(gòu)件上的內(nèi)阻損耗, 電源功率中只有約75%的能量供應(yīng)到靶材表面作為實(shí)際的濺射功率[21], 而這部分能量中約80%會(huì)轉(zhuǎn)變成為靶材的熱量[22], 此時(shí)靶材熱量Q約為電源功率的60%.因此, 在實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的模擬中將熱源熱功耗設(shè)置為1.8, 3.6, 5.4 和7.2 kW.

不同功率下等離子體源的放電輝光如圖3 所示, 輝光呈綠色, 采用等離子體發(fā)射光譜儀在等離子體源中央軸上探測(cè)到406.3 和404.3 nm 的光譜波長(zhǎng)信號(hào), 分別為Cu 原子與Cu+的典型特征波長(zhǎng).隨著功率增大輝光更加強(qiáng)烈, 即等離子體放電強(qiáng)度更大、密度更高.將不同功率下出水端冷卻水溫度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與模擬值進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)果如圖4 所示, 圖中縱坐標(biāo)值表示冷卻水出口溫度與入口初始溫度的溫升差值.結(jié)果表明模擬值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小, 符合度高, 證明了數(shù)值模擬的正確性.存在的偏差主要是由于實(shí)驗(yàn)在25 ℃室溫條件下進(jìn)行,初始溫度20 ℃的冷卻水在輸入過(guò)程中存在一定的溫升, 且出口高于室溫的冷卻水存在降溫的現(xiàn)象.此外, 模擬結(jié)果還表明當(dāng)功率超過(guò)18 kW 時(shí)膠圈最高溫度超過(guò)200 ℃, 發(fā)生燒蝕失效, 等離子體源將無(wú)法正常工作.

圖3 不同功率下等離子體源的放電情況Fig.3.Discharge of plasma source at different power.

圖4 出口冷卻水溫升的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Fig.4.Comparison of experimental and simulated water temperature rise.

3 結(jié)果分析與討論

3.1 出入水孔分布角度與孔數(shù)對(duì)冷卻效果的影響

根據(jù)環(huán)形磁場(chǎng)金屬等離子體源結(jié)構(gòu), 冷卻水的引入必須經(jīng)過(guò)短路環(huán), 在短路環(huán)上設(shè)置適當(dāng)?shù)目滓员ＷC良好的冷卻效果.同時(shí)為了保證等離子體源上部的冷卻, 出水孔高度設(shè)置為40 mm, 其數(shù)量、分布角度、孔徑與入水孔一致.當(dāng)采用一個(gè)入水孔,孔徑為4 mm 時(shí), 其最高溫度出現(xiàn)在出水孔附近,密封膠圈內(nèi)側(cè), 達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度為60.48 ℃.為了研究開(kāi)孔分布角度、數(shù)量與冷卻效果間的關(guān)系, 在短路環(huán)上按分布角度5°, 10°, 15°, 20°, 25°和30°分別開(kāi)1—6 個(gè)直徑為4 mm 的孔, 監(jiān)測(cè)膠圈的最高溫度, 結(jié)果如表2 所列.當(dāng)分布角度為30°, 孔數(shù)量為6 時(shí)對(duì)應(yīng)的膠圈最高溫度最低, 冷卻效果最好, 此時(shí)膠圈上的穩(wěn)態(tài)最高溫度為46.50 ℃.膠圈上的最高溫度隨著孔數(shù)量的增加呈逐漸下降的趨勢(shì).而隨著分布角度的增加, 1—3 個(gè)水孔時(shí)的膠圈最高溫度沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性, 但4—6 個(gè)水孔時(shí)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).

表2 不同出入水孔分布角度、孔數(shù)時(shí)的膠圈最高溫度 (℃)Table 2.Maximum temperature of aprons with different distribution angles and number of holes(℃).

針對(duì)表2 結(jié)果, 結(jié)合不同孔分布角度時(shí)的冷卻水溫度切面進(jìn)行分析, 如圖5 所示, 隨著分布角度的增大, 整體水溫趨向均勻, 局部的高溫區(qū)域溫度降低且面積逐漸減少直至消失.局部高溫會(huì)減弱該區(qū)域的換熱效果, 而初始冷卻水與銅套表面的較大溫差有利于強(qiáng)化傳熱, 因此當(dāng)入水孔分布跨度更廣時(shí), 銅套表面接觸初始冷卻水的范圍更廣, 換熱效果更好, 且冷卻更加均勻.部分冷卻水從最兩端的出水孔流出, 在腔體中的停留時(shí)間短, 水溫相對(duì)較低, 因此換熱充分、溫度較高的冷卻水不會(huì)在中央出水孔處大量富集, 避免了局部高溫的產(chǎn)生.

圖5 不同孔分布角度的出水孔高度(40 mm)冷卻水溫度切面Fig.5.Water temperature section with outlet height (40 mm) of different hole distribution angles.

銅套表面溫度更加直觀地反映了冷卻水的冷卻效果, 與膠圈最高溫度有著相同的變化趨勢(shì), 銅套溫度降低有利于減少傳遞給膠圈的熱量, 使膠圈溫度降低.圖6 為分布角為30°時(shí)不同出入水孔數(shù)量時(shí)的出水側(cè)銅套表面溫度, 隨著孔數(shù)的增加銅套表面溫度明顯降低, 且上端接近膠圈的位置降溫更明顯.孔數(shù)量的增加同樣增大了初始冷卻水的分布范圍, 使冷卻更加均勻, 減少局部高溫.

圖6 不同出入水孔數(shù)量的銅套表面溫度Fig.6.Surface temperature of copper sleeve with different number of holes.

3.2 出入水孔孔徑對(duì)冷卻效果的影響

根據(jù)前一節(jié)模擬分析得到的最優(yōu)冷卻效果, 采用分布角度為30°的6 孔冷卻結(jié)構(gòu), 保持入水孔高度32 mm、出水孔高度40 mm 不變, 對(duì)孔徑大小為3, 4, 5, 6 和7 mm 五種結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行模擬計(jì)算.

不同入水端壓力下的膠圈最高溫度如圖7 所示, 在實(shí)際工況下(入口水壓5.0 × 105Pa), 膠圈最高溫度隨著入水孔孔徑增大呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢(shì), 在孔徑4 mm 時(shí)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的冷卻效果, 膠圈穩(wěn)態(tài)最高溫度為46.71 ℃.當(dāng)入水端壓力恒定時(shí), 隨著孔徑改變冷卻水流速與流量都會(huì)發(fā)生變化, 此時(shí)系統(tǒng)冷卻效果受到流量與流速的綜合影響.由圖8 可見(jiàn), 冷卻水經(jīng)過(guò)入水孔發(fā)生射流, 沖擊銅套壁面, 射流速度隨孔徑減小而增大, 沖擊面積也隨之增大.射流沖擊作用是強(qiáng)化局部換熱的有效方法, 提高射流速度有利于增強(qiáng)冷卻水的湍流度, 提高對(duì)流傳熱系數(shù), 同時(shí)加劇對(duì)壁面的沖擊,沖擊面積的增大有利于擴(kuò)大換熱強(qiáng)化區(qū)域范圍, 進(jìn)而提升換熱效果.因此, 膠圈最高溫度呈現(xiàn)隨著孔徑減小而降低的趨勢(shì).

圖7 不同水壓下出入水孔孔徑對(duì)膠圈溫度的影響Fig.7.Influence of hole diameter on apron temperature under different water pressure.

隨著孔徑不斷增大, 射流冷卻水變得相對(duì)發(fā)散, 冷卻射流越難直接沖擊到壁面上, 局部換熱減弱, 但是由于流道內(nèi)的總流量增大, 沿壁面的周向流動(dòng)更加劇烈, 因此整體壁面的換熱效果有所提升, 膠圈最高溫度開(kāi)始降低.受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制,在一定孔徑范圍內(nèi), 通過(guò)減小孔徑可以充分利用射流強(qiáng)化作用實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的冷卻效果.孔徑的選取還需要根據(jù)實(shí)際的水壓條件, 由圖7 所示, 在水壓高于或低于5 × 105Pa 的條件下, 孔徑3 mm 時(shí)冷卻水的射流效應(yīng)仍占據(jù)主導(dǎo)作用, 因此可以適當(dāng)進(jìn)一步減小孔徑.

3.3 入水孔高度對(duì)冷卻效果的影響

本節(jié)保持孔徑4 mm、孔分布角度30°、出水孔高度40 mm 不變, 對(duì)6, 10, 14, 18, 32 和36 mm六種不同入水孔高度對(duì)冷卻效果的影響進(jìn)行模擬分析, 其中6—18 mm 高度的入水孔位于下端磁鐵和中間磁鐵之間, 32—36 mm 高度的入水孔位于中間磁鐵和上端磁鐵之間, 中間磁鐵高度22 mm、厚6 mm, 結(jié)果如圖9 所示.

圖8 出入水孔孔徑對(duì)入水孔射流速度的影響Fig.8.Influence of hole diameter on water jet velocity at water inlet.

圖9 入水孔高度對(duì)冷卻效果的影響 (a)膠圈溫度; (b)出水孔側(cè)銅套溫度Fig.9.Influence of hole height on cooling effect: (a) Apron temperature; (b) copper sleeve temperature of outlet side.

由圖9 可見(jiàn), 當(dāng)入水孔高度為36 mm 時(shí)冷卻效果最好, 膠圈上的最高溫度最低, 此時(shí)膠圈上的最高溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)為46.2 ℃, 入水孔位于上層時(shí)的入口側(cè)膠圈低溫段溫度相比于位于下層時(shí)的溫度差異為ΔT> 5 ℃, 銅套表面溫度分布隨入水孔高度的變化趨勢(shì)與膠圈溫度變化一致.結(jié)合圖10冷卻水溫度云圖, 選擇最低高度6 mm 與最高高度36 mm 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析, 高度為6 mm 時(shí)冷卻水上層與下層溫差明顯, 溫度較高的水往上層流動(dòng), 使溫度高的水流聚集在上層, 而溫度較低的水則處于底層, 導(dǎo)致明顯的分層現(xiàn)象, 冷卻效果被削弱; 當(dāng)高度為36 mm 時(shí), 冷卻水從上部流入, 位置更接近頂部膠圈, 較低的初始溫度能夠很好地冷卻入水口側(cè)的銅套和膠圈, 且冷卻水帶動(dòng)上層水向下流動(dòng)并不斷帶走上層熱水的熱量, 有效避免冷卻水的溫度分層, 使銅套和膠圈都處于較好的冷卻狀態(tài).

圖10 入水孔高度分別為6 與36 mm 時(shí)的冷卻水溫度云圖Fig.10.Temperature nephogram of cooling water when h is 6 and 36 mm.

膠圈上的最高溫度隨入水口高度變化可分成兩部分: 高度6—18 mm 的入水孔介于底端環(huán)形磁鐵與中間磁鐵間, 在這個(gè)區(qū)間內(nèi)膠圈的最高溫度先減小后增大, 高度為10 mm 時(shí)膠圈最高溫度為50.61 ℃, 為該區(qū)間最低溫度; 高度32—40 mm的入水孔介于中間磁鐵與上端磁鐵間, 相比于前一部分溫度顯著降低.當(dāng)入水孔高度靠近中間磁鐵時(shí), 冷卻水進(jìn)入流道后沖刷中間磁鐵下表面, 形成渦流, 對(duì)下表面邊界層增加了擾動(dòng), 使邊界層變薄,換熱增強(qiáng), 冷卻水經(jīng)過(guò)中間磁鐵后溫度相對(duì)更高,導(dǎo)致對(duì)銅套和膠圈的冷卻效果下降, 因此入水孔高度高于10 mm 后膠圈最高溫度又開(kāi)始升高.

4 結(jié) 論

本文基于計(jì)算流體力學(xué)方法, 采用Solidworks Flow Simulation 軟件對(duì)環(huán)形磁場(chǎng)金屬等離子體源冷卻流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析, 根據(jù)不同結(jié)構(gòu)下膠圈、銅套以及冷卻水的溫度分布, 分析了短路環(huán)上出入水孔分布角度、數(shù)量、孔徑以及入水孔高度對(duì)冷卻效果的影響規(guī)律, 得出以下結(jié)論:

1)增大水孔的周向分布范圍, 有利于提高散熱的均勻性, 使流體均勻維持在較低溫度, 保證與銅套溫度間的更大溫差, 強(qiáng)化換熱冷卻;

2)入水孔應(yīng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)上層, 有利于減少冷卻水的溫度分層現(xiàn)象, 使銅套和膠圈都處于良好的冷卻狀態(tài);

3)適當(dāng)減小出入水孔孔徑, 有利于增大冷卻水射流速度, 增強(qiáng)冷卻水的射流沖擊作用, 進(jìn)而增大湍流程度強(qiáng)化傳熱, 提高換熱效率;

4)通過(guò)系統(tǒng)地研究各影響因素, 在0.5 MPa水壓條件下獲得優(yōu)化的環(huán)形磁場(chǎng)金屬等離子體源冷卻流場(chǎng)結(jié)構(gòu), 即分布角度為30°, 孔數(shù)為6 孔, 孔徑為4 mm, 入水孔高度為36 mm.