不銹鋼板式熱沉流動(dòng)與傳熱的數值模擬
熱沉是環(huán)境模擬器中用來(lái)模擬冷黑環(huán)境的核心結構，熱沉的溫度均勻性是其最重要的技術(shù)指標之一。本文采用數值模擬方法，對小型熱真空模擬器不銹鋼板式熱沉進(jìn)行了熱力學(xué)分析。模擬結果表明：不銹鋼板式熱沉具有換熱效率高、溫差均勻性好、冷劑用量少等優(yōu)點(diǎn)，減小不鋼板之間的距離可以提高熱沉溫度均勻性，而不同進(jìn)出口布置形式對熱沉壁面的溫度均勻性影響較小。本文得到的模擬結果，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為對優(yōu)化熱沉結構、提高溫度均勻性、減少冷劑使用量具有實(shí)際意義。
目前國外環(huán)境模擬器所廣泛采用的熱沉為類(lèi)似于板式換熱器的不銹鋼板式夾層結構熱沉，它是將兩塊不銹鋼板焊接在一起，熱沉板中間采用模壓形成凹坑再實(shí)施點(diǎn)焊的方法，形成冷劑流動(dòng)的通道。這種結構熱沉的不銹鋼板可直接接受熱輻射，并將熱量傳遞給冷劑，換熱效率高，能夠克服不銹鋼導熱系數低的缺點(diǎn)，冷劑流動(dòng)暢通，液氮為工質(zhì)時(shí)不易出現氣堵。由于這種結構熱沉的性能優(yōu)異，國內已開(kāi)始對這種新型不銹鋼板式熱沉進(jìn)行初步探索研究。
本文采用計算流體力學(xué)的方法，對不銹鋼板式熱沉內冷劑穩態(tài)流動(dòng)傳熱情況以及溫度分布進(jìn)行了流動(dòng)與傳熱特性分析，研究了熱沉進(jìn)口冷劑流量、鋼板之間的距離、冷劑進(jìn)出口形式對熱沉壁面溫度均勻性的影響，研究結果對熱沉設計與結構改進(jìn)具有參考價(jià)值。
1、不銹鋼板式熱沉內冷劑流動(dòng)與傳熱的理論建模與數值求解
1.1、熱沉內冷劑流動(dòng)與傳熱的數學(xué)模型
根據不銹鋼板式熱沉傳熱特點(diǎn)，數學(xué)模型建立時(shí)作以下假設：
(1)流動(dòng)各物理量不隨時(shí)間變化，即為定常流動(dòng)；
(2)冷劑為不可壓縮牛頓流體；
(3)重力和由于密度差所引起的浮力均忽略不計；
(4)由于熱沉內冷劑的流速較低，忽略流體流動(dòng)時(shí)黏性耗散所產(chǎn)生的熱效應；
(5)冷劑僅為液相。
1.2、冷劑流動(dòng)與傳熱的數值求解
熱沉有效空間直徑900 mm、長(cháng)1 200 mm，不銹鋼板厚度為1.5 mm。兩鋼板的間距為10 mm，凹坑深度為10 mm，傾角為60°，凹坑直徑為14 mm，凹坑間距為80 mm。下端有一直徑為40 mm 的進(jìn)液匯總管，上端有同樣尺寸的出液匯總管，進(jìn)液口與出液口布置在同一側，即U 型布置。冷劑從下進(jìn)液管進(jìn)入，通過(guò)3 條通道進(jìn)入板式熱沉的夾層中，當夾層空間充滿(mǎn)液體后，再從3 條通道進(jìn)入出液匯總管。不銹鋼板式熱沉的結構示如圖1 所示。
圖1 不銹鋼板式熱沉幾何模型
筒體熱沉結構關(guān)于中心平面對稱(chēng)，流場(chǎng)也是對稱(chēng)的，只需對半個(gè)圓筒熱沉建模。使用Gambit 2.4作為網(wǎng)格生成工具，主體采用六面體結構化網(wǎng)格，局部采用四面體非結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。熱沉內冷劑為穩態(tài)流動(dòng)，整個(gè)熱沉的冷劑流量為35 L/min，設定入口為速度入口，流速為0.4642 m/s，入口冷劑溫度為213.15 K，出口邊界條件為自由流動(dòng)出口，不銹鋼板直接接受熱輻射，內表面受到來(lái)自試件的恒定熱流率為33.255 W/m2，外表面受到來(lái)自真空室器壁恒定熱流率為39.845 W/m2，上下匯總管和筒體中心平面為對稱(chēng)邊界條件，其它壁面設定為固定壁面絕熱邊界條件。熱沉內冷劑為T(mén)hermalHL80，熱沉管固體材料為304 不銹鋼，密度為7850 kg/m3，比熱容為0.46 kJ/(kg·K)，導熱系數為17 W/(m·K)。
以ANSYS FLUENT 14.0 為計算平臺，采用二階迎風(fēng)格式對控制方程進(jìn)行離散，使用壓力—速度耦合半隱式Simple 算法，求解收斂條件為相對殘差低于1×10-5，入口和出口的流量差低于10-7 kg/s。
3、結論
(1)不銹鋼板式熱沉的冷劑與熱沉板直接換熱，換熱效率很高，熱沉的溫度均勻性要明顯好于管板式熱沉。
(2)減小兩片鋼板之間的距離可以提高熱沉溫度均勻性，但是距離過(guò)小不易加工制造，夾層間距小于10 mm 就可獲得很好的溫度均勻性。
(3)對于本文所研究的直徑900 mm、長(cháng)1200 mm小型不銹鋼板式熱沉來(lái)說(shuō)，冷劑不同出口布置形式對熱沉壁面的溫度均勻性影響很小。
