魚骨式熱沉調(diào)溫系統(tǒng)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

祁雪琴 劉智勇* 顏昌林

(1 蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 蘭州 730070)

(2 蘭州真空設(shè)備有限責(zé)任公司華宇分公司 蘭州 730013)

1 引言

調(diào)溫?zé)岢潦侵竿ㄟ^改變熱沉溫度來模擬空間環(huán)境溫度變化的方法。當(dāng)熱沉達(dá)到控制溫度后,可通過控制載冷劑溫度達(dá)到控溫的目的也可以通過控制載冷劑的流量來實(shí)現(xiàn)熱沉溫度控制。文獻(xiàn)[1]介紹了目前國(guó)內(nèi)主要的調(diào)溫技術(shù),對(duì)不同流程的工作原理作了詳細(xì)介紹,并簡(jiǎn)要分析其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍,為我國(guó)熱真空試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展和制造提供借鑒。文獻(xiàn)[2]主要介紹了氣氮調(diào)溫?zé)岢凉ぷ髟砑跋到y(tǒng)主要組成部件的結(jié)構(gòu),分析計(jì)算了系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù),并完成了試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[3]等人結(jié)合某型號(hào)航天器對(duì)調(diào)溫?zé)岢猎囼?yàn)需求,對(duì)某空間環(huán)境模擬器進(jìn)行了氣氮調(diào)溫系統(tǒng)流程設(shè)計(jì),對(duì)影響系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì),最后進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試。文獻(xiàn)[4]主要分析了熱沉調(diào)溫系統(tǒng)的主要影響因素及氣氮質(zhì)量流量對(duì)熱沉熱性能指標(biāo)的影響。美國(guó)PDM 公司真空熱試驗(yàn)設(shè)備配置有氣氮調(diào)溫?zé)岢?使熱沉溫度在117—394 K 范圍內(nèi)可調(diào),升降溫速率可以達(dá)到1.1 K/min,系統(tǒng)可承受50 kW 的熱負(fù)荷[5]。美國(guó)戈達(dá)德空間飛行中心的真空熱試驗(yàn)設(shè)備用氮?dú)鈱?duì)熱沉進(jìn)行調(diào)溫,溫度調(diào)節(jié)范圍為103—423 K,升降溫速率最小為6 K/min[6]。

本文保持載冷劑流量不變的情況下,通入載冷劑對(duì)熱沉進(jìn)行升降溫,當(dāng)溫度達(dá)到控制點(diǎn)溫度時(shí),再通過循環(huán)氮?dú)鉁囟葘?shí)現(xiàn)熱沉溫度在-130— +150 ℃范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),并高度均勻。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 有限元模型建立及網(wǎng)格劃分

熱沉主管內(nèi)徑為100 mm,支管內(nèi)徑為16 mm,材料為不銹鋼;熱沉翅片寬度為80 mm,材料為紫銅。由于熱沉筒體左右對(duì)稱,為減少計(jì)算量縮短仿真時(shí)間,只選取半個(gè)熱沉進(jìn)行計(jì)算。本次模擬利用ICEM CFD 對(duì)熱沉管及翅片整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,劃分的網(wǎng)格如圖1、圖2 所示。為了避免因?yàn)榫W(wǎng)格劃分的疏密對(duì)模擬結(jié)果的影響且提高計(jì)算時(shí)間減少對(duì)計(jì)算機(jī)的要求,在正式的模擬計(jì)算開始前需要?jiǎng)澐侄嗵资杳艹潭炔煌木W(wǎng)格來進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證。本文采用3 套網(wǎng)格(3 892 992、4 701 048、5 534 122)對(duì)熱沉進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果如圖3 所示,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析匯總,3套網(wǎng)格所得結(jié)果最大相對(duì)偏差為0.015%,滿足工程計(jì)算精度要求?？紤]到計(jì)算機(jī)性能,本文選取4 701 048 為后續(xù)計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)。

圖1 熱沉溫度場(chǎng)網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat sink temperature field meshing

圖2 熱沉網(wǎng)格局部放大圖Fig.2 Partial enlarged view of heat sink grid

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Fig.3 Verification of grid independence

2.2 計(jì)算工況與邊界條件

利用Ansys Fluent 19.0 進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí),采用速度入口邊界條件、自由流出口邊界條件,壁面邊界條件。低溫調(diào)溫時(shí)入口氮?dú)馑俣葹?5 m/s,氮?dú)鉁囟仍O(shè)置為143 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298 K,外部發(fā)射率設(shè)置為0.2,負(fù)載時(shí)熱沉內(nèi)壁面之間也只進(jìn)行輻射換熱,溫度設(shè)為298 K,外部發(fā)射率設(shè)置為0.1,進(jìn)口壓力為60 kPa。高溫調(diào)溫時(shí)入口氮?dú)鉁囟仍O(shè)置為423 K,其它參數(shù)與低溫調(diào)溫設(shè)置相同。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,壓力-速度耦合采用Simple 算法[7]。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 調(diào)溫?zé)岢翜囟染鶆蛐阅M結(jié)果

本文主要研究在保持載冷劑流量不變的情況下,通入載冷劑對(duì)熱沉進(jìn)行升降溫,當(dāng)熱沉溫度達(dá)到控制點(diǎn)溫度時(shí),再通過循環(huán)氮?dú)鉁囟葘?shí)現(xiàn)熱沉在-130—+150 ℃溫度范圍內(nèi)可調(diào),且在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)溫度均勻性≤±5 ℃,對(duì)熱沉進(jìn)行了仿真分析。

3.1.1 +150 ℃高溫循環(huán)時(shí)熱沉壁面溫度分布

圖4 為高溫調(diào)溫時(shí),循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)口溫度分別為420 K、423 K、428 K、435 K 時(shí),熱沉外壁面的溫度分布云圖。從圖可看出,由于熱沉自下而上流動(dòng)過程中放出熱量,整個(gè)熱沉上近入口端翅片溫度總是高于出口端翅片溫度,且遠(yuǎn)離進(jìn)出口端翅片溫度最低。

圖4 氮?dú)獠煌M(jìn)口溫度下熱沉外壁面溫度分布Fig.4 Temperature distribution on outer wall of heat sink at different inlet temperatures of nitrogen

循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)口溫度分別為420 K、423 K、428 K、435 K 四種溫度時(shí),熱沉外壁面溫度變化曲線如圖5所示。由圖5 可以看出,穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),熱沉溫度均勻性分別為±1.569、±2.002、±2.801、±3.177,隨著循環(huán)氮?dú)鉁囟壬?熱沉翅片溫度均勻性也相應(yīng)增大。高溫調(diào)溫時(shí),循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)口溫度增加熱沉翅片表面溫度升高,就越接近控制點(diǎn)溫度。但是,循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)口溫度的升高,PID 控制系統(tǒng)中加熱器輸出功率也隨之增加。所以,在熱沉實(shí)際運(yùn)行時(shí),當(dāng)熱沉溫度達(dá)到控制點(diǎn)溫度后,應(yīng)控制循環(huán)氮?dú)鉁囟仍?28—435 K 范圍內(nèi),保證不增加經(jīng)濟(jì)成本的情況下保證熱沉翅片溫度均勻性達(dá)到要求。

圖5 外壁面溫度隨氮?dú)膺M(jìn)口溫度變化曲線Fig.5 Curve of outer wall temperature changing with nitrogen inlet temperature

3.1.2 -130 ℃低溫循環(huán)時(shí)熱沉壁面溫度分布

循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)口溫度分別為143 K、138 K、133 K、128 K 時(shí),熱沉外壁面的溫度分布云圖如圖6 所示。從圖可看出,熱沉自下而上流動(dòng)過程中吸收熱量,故近入口端熱沉翅片溫度總是低于出口端熱沉翅片溫度,且遠(yuǎn)離進(jìn)出口端翅片溫度最高。

圖6 氮?dú)獠煌M(jìn)口溫度下熱沉外壁面溫度分布Fig.6 Temperature distribution on outer wall of heat sink at different inlet temperatures of nitrogen

循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)口溫度分別為143 K、138 K、133 K、128 K 四種溫度時(shí),熱沉外壁面溫度變化曲線如圖7所示。由圖7 外壁面溫度隨氮?dú)膺M(jìn)口溫度變化曲線圖可看出,穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),熱沉溫度均勻性分別為±1.180、±1.432、±1.249、±0.263,隨著循環(huán)氮?dú)鉁囟冉档?熱沉翅片溫度均勻性減小。低溫調(diào)溫時(shí),循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)口溫度越低,熱沉溫度分布越接近控制點(diǎn)溫度。但隨著氮?dú)膺M(jìn)口溫度的降低,PID 控制系統(tǒng)中液氮補(bǔ)液閥開度增加,會(huì)增加液氮用量,故不能一味的減小氮?dú)膺M(jìn)口溫度。所以,在熱沉實(shí)際運(yùn)行時(shí),應(yīng)控制循環(huán)氮?dú)鉁囟仍?28—133 K 范圍內(nèi)。

圖7 外壁面溫度隨氮?dú)膺M(jìn)口溫度變化曲線Fig.7 Curve of outer wall temperature changing with nitrogen inlet temperature

由以上可以得出,調(diào)溫?zé)岢镣ㄟ^控制循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)口溫度,可實(shí)現(xiàn)在-130— +150 ℃溫度范圍內(nèi)可調(diào),且在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)溫度均勻性≤±5 ℃。

3.2 調(diào)溫?zé)岢翜囟染鶆蛐运矐B(tài)模擬過程

非穩(wěn)態(tài)模擬相對(duì)于穩(wěn)態(tài)計(jì)算多了時(shí)間變量,能夠計(jì)算出熱沉溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化趨勢(shì),更加直觀的模擬出熱沉實(shí)際的工作狀態(tài)。

3.2.1 升溫過程

本次模擬研究熱沉在-130— +100 ℃的升溫速率。氮?dú)馊肟跍囟葹?83 K,入口流速為25 m/s,熱沉內(nèi)外壁面只進(jìn)行輻射換熱,溫度設(shè)為298 K,外部發(fā)射率設(shè)置為0.2,熱沉的初始環(huán)境為143 K,進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。經(jīng)過非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的步長(zhǎng)為6 s,計(jì)算的步數(shù)為600。圖8 為熱沉翅片外壁面溫度非穩(wěn)態(tài)升溫過程。模擬開始后,靠近入口端的熱沉翅片表面溫度開始升高。當(dāng)模擬時(shí)間達(dá)到5 000 s 時(shí),熱沉翅片表面溫度幾乎達(dá)到穩(wěn)定。隨著時(shí)間的增加,熱沉翅片表面溫度分布在356—365 K 之間,且更加均勻。

圖8 熱沉翅片外壁面溫度隨時(shí)間的變化Fig.8 Temperature change on outer wall of heat sink fins with time

熱沉翅片外壁面溫度匯總出如圖9 所示曲線。由圖9 可以看出,熱沉開始工作時(shí),由于熱沉與周圍環(huán)境溫差較大,熱沉翅片的溫度上升速度很快;隨著時(shí)間的增加,溫差逐漸減小,熱沉的升溫速率也減小,在0—10 min 時(shí),熱沉的升溫速率為10.71 K/min;在10—20 min 時(shí),熱沉的升溫速率為7.5 K/min;時(shí)間增加到40 min 時(shí),熱沉的升溫速率只有1.25 K/min,且熱沉溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),溫度穩(wěn)定在365 K左右。

圖9 熱沉翅片外壁面溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Temperature change on outer wall of heat sink fins with time

3.2.2 降溫過程

本次模擬研究熱沉在+150— -130 ℃的降溫速率。氮?dú)馊肟跍囟葹?30 K,入口流速為25 m/s,熱沉內(nèi)外壁面只進(jìn)行輻射換熱,溫度設(shè)為373 K,外部發(fā)射率設(shè)置為0.2,熱沉的初始環(huán)境為423 K,進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。經(jīng)過非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的步長(zhǎng)為6 s,計(jì)算的步數(shù)為500。圖10 為熱沉翅片外壁面溫度非穩(wěn)態(tài)降溫過程。模擬開始后,靠近入口端的熱沉翅片表面溫度開始降低。當(dāng)模擬時(shí)間達(dá)到3 000 s 時(shí),熱沉翅片外壁面溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),分布在156—168 K 之間,且更加均勻。

圖10 熱沉翅片外壁面溫度隨時(shí)間的變化Fig.10 Temperature change on outer wall of heat sink fins with time

對(duì)熱沉翅片外壁面溫度匯總出如圖11 所示曲線。由圖11 可以看出,熱沉開始工作時(shí),由于熱沉與周圍環(huán)境溫差較大,熱沉翅片的溫度下降很明顯;隨著時(shí)間的增加,溫差逐漸減小,熱沉的降溫速率也減小。在1—15 min 時(shí),熱沉的降溫速率為9.84 K/min;在15—35 min 時(shí),熱沉的降溫速率為3.41 K/min;時(shí)間增加到60 min 時(shí),熱沉的降溫速率只有1.07 K/min且熱沉溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),溫度穩(wěn)定在143 K左右。

圖11 熱沉翅片外壁面溫度隨時(shí)間變化圖Fig.11 Temperature change on outer wall of heat sink fins with time

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括調(diào)溫循環(huán)系統(tǒng)(含熱沉)、真空容器系統(tǒng)、制冷制熱系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)。調(diào)溫?zé)岢两Y(jié)構(gòu)為魚骨式熱沉,由主管與支管焊接而成,并在支管內(nèi)外兩側(cè)焊接翅片來吸收熱輻射[8]。溫度控制是本次試驗(yàn)的一個(gè)重要參數(shù)控制。通過測(cè)量在熱沉翅片上不同點(diǎn)的溫度來衡量熱沉的溫度均勻性以及熱沉的升降溫速率。

本試驗(yàn)臺(tái)調(diào)溫循環(huán)系統(tǒng)原理如圖12 所示,該試驗(yàn)臺(tái)由熱沉,加熱器、混合器、液氮儲(chǔ)槽、循環(huán)風(fēng)機(jī)、回?zé)崞鞯冉M成。循環(huán)過程為:向系統(tǒng)充入氮?dú)夂筮M(jìn)行密閉循環(huán)。高溫段時(shí),啟動(dòng)電加熱器,氮?dú)馔ㄟ^電加熱器后溫度升高,高溫氮?dú)膺M(jìn)入熱沉進(jìn)行熱交換,使熱沉溫度升高。低溫段時(shí),液氮與氮?dú)馔ㄟ^混合器進(jìn)行熱交換后溫度降低,低溫氮?dú)膺M(jìn)入熱沉與之進(jìn)行熱交換,使熱沉溫度降低[9]。

圖12 調(diào)溫?zé)岢料到y(tǒng)原理圖Fig.12 Schematic diagram of thermal adjusting heat sink

4.2 試驗(yàn)過程

圖13 為調(diào)溫?zé)岢翜囟葴y(cè)點(diǎn)布置圖。在熱沉筒體上共設(shè)12 支測(cè)溫點(diǎn),均勻分布3 圈,每圈4 支,控制界面上以TR01—TR12 進(jìn)行編號(hào),試驗(yàn)環(huán)境溫度為298 K。

圖13 溫度測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.13 Distribution of temperature measuring points

具體試驗(yàn)過程為:(1)按圖11 連接各試驗(yàn)設(shè)備;(2)打開試驗(yàn)操作系統(tǒng);(3)向管路系統(tǒng)中充入目標(biāo)壓力的循環(huán)氮?dú)?(4)在控制界面設(shè)定目標(biāo)溫度,(5)打開循環(huán)風(fēng)機(jī),點(diǎn)擊控溫開始,待溫度升至設(shè)定溫度且穩(wěn)定一段時(shí)間后,開始數(shù)據(jù)采集與記錄。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過改變循環(huán)氮?dú)鉁囟葋磉_(dá)到控制點(diǎn)溫度為-130 ℃和+150 ℃時(shí)且進(jìn)口壓力維持在60 kPa 時(shí)的熱沉溫度均勻性作了仿真模擬,熱沉溫度均勻性試驗(yàn)中同樣選擇該壓力下以-130— +150 ℃范圍內(nèi)的-130 ℃和+150 ℃溫度點(diǎn)的溫度均勻性來反應(yīng)-130— +150 ℃整體溫度段的溫度均勻性。并對(duì)研制的控溫?zé)岢吝M(jìn)行了控溫效果調(diào)試,調(diào)試時(shí)分別取+150 ℃、-130 ℃這兩個(gè)常用控溫點(diǎn)作為區(qū)間控溫點(diǎn),調(diào)試過程如下:(1)升溫進(jìn)行+150 ℃溫控;(2)降溫進(jìn)行-130 ℃溫控;(3)最后再進(jìn)行+150 ℃升溫。

調(diào)試過程中從熱沉翅片中選擇不同位置的6 個(gè)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)。熱沉升降溫速率(升降溫過程分別記錄-130— +100 ℃及+100— -70 ℃的溫度數(shù)據(jù))及控制點(diǎn)溫度為-130 ℃、+150 ℃熱沉處于60 kPa平衡態(tài)時(shí)的熱沉溫度曲線圖分別如圖14、圖15所示。從圖14、圖15 中可以計(jì)算出,熱沉翅片的升降溫速率分別為4.6 ℃/min 和6.8 ℃/min,滿足升降溫速率≥1.0 ℃/min 的要求,在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)溫度均勻性分別為±3.178、±2.588,測(cè)試結(jié)果的溫度均勻性都≤±5 ℃,滿足指標(biāo)要求。

圖14 熱沉升降溫速率曲線Fig.14 Temperature rise and fall rate curves of heat sink

圖15 熱沉平衡態(tài)時(shí)溫度分布曲線Fig.15 Temperature distribution when heat sink is in equilibrium

6 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比

在熱沉溫度場(chǎng)的試驗(yàn)研究中,對(duì)翅片溫度進(jìn)行了測(cè)量,并且對(duì)熱沉溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析,得到各測(cè)點(diǎn)模擬計(jì)算結(jié)果。圖16、圖17 為測(cè)點(diǎn)TR06 升降溫過程試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的比較。通過比較分析發(fā)現(xiàn),升溫過程中,0—10 min 時(shí),熱沉升溫速率數(shù)值模擬結(jié)果為10.71 K/min,試驗(yàn)結(jié)果為7.18 K/min,模擬升溫速率在初始階段要比實(shí)驗(yàn)結(jié)果快。隨著時(shí)間的延續(xù),模擬升溫速率為1.25 K/min,并逐漸接近設(shè)定溫度,而試驗(yàn)的升溫過程還在繼續(xù),升溫速率為2.08 K/min。反觀降溫過程中,前15 min,模擬降溫速率為9.84 K/min,試驗(yàn)降溫速率為6.8 K/min,試驗(yàn)與模擬降溫變化較快且模擬降溫更明顯,隨著時(shí)間的延續(xù),數(shù)值模擬結(jié)果處于緩慢下降狀態(tài),降溫速率為3.41 K/min,而試驗(yàn)的降溫過程還在繼續(xù)。受試驗(yàn)環(huán)境的影響以及模型材料加工工藝所限制而仿真模型的建立過于理想化,未考慮實(shí)際流場(chǎng)各物理參數(shù)的微小變化等。

圖16 熱沉升溫過程試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比Fig.16 Comparison between experimental and simulated results of temperature rise

圖17 熱沉降溫過程試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比Fig.17 Comparison between experimental and simulated results of temperature drop

7 結(jié)論

通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法進(jìn)行計(jì)算分析,得出以下幾個(gè)結(jié)論:

(1)高溫調(diào)溫時(shí),保證不增加經(jīng)濟(jì)成本的情況下,控制循環(huán)氮?dú)鉁囟仍?28—435 K 范圍內(nèi)。模擬結(jié)果溫度均勻性為±2.002,試驗(yàn)結(jié)果溫度均勻性為±3.178,相差最大為1.176 K。

(2)熱沉在低溫運(yùn)行時(shí),應(yīng)控制循環(huán)氮?dú)鉁囟仍?28—133 K 范圍內(nèi)。模擬結(jié)果溫度均勻性為±1.180,試驗(yàn)結(jié)果溫度均勻性為±2.588,相差最大為1.408 K。

(3)升溫過程中,初始階段,熱沉升溫速率數(shù)值模擬結(jié)果為10.71 K/min,試驗(yàn)結(jié)果為7.18 K/min,模擬升溫速率比實(shí)驗(yàn)結(jié)果快3.53 K/min。隨著時(shí)間的延續(xù),模擬升溫速率為1.25 K/min,并逐漸接近設(shè)定溫度,但試驗(yàn)的升溫過程還在繼續(xù),升溫速率為2.08 K/min,此時(shí)試驗(yàn)的升溫速率比模擬結(jié)果快0.83。

(4)降溫過程中,前15 min,模擬降溫速率為9.84 K/min,試驗(yàn)降溫速率為6.8 K/min,模擬降溫更明顯,模擬降溫速率比實(shí)驗(yàn)結(jié)果快3.04 K/min。隨著時(shí)間的增加,數(shù)值模擬結(jié)果處于緩慢下降狀態(tài),降溫速率為2.5 K/min,而試驗(yàn)的降溫過程仍在繼續(xù)。