不銹鋼-氣氮板式熱沉仿真研究

魏龍濤，楊建斌，閆格

環境適應性設計與分析研究

不銹鋼-氣氮板式熱沉仿真研究

魏龍濤，楊建斌，閆格

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000）

研究不銹鋼-氣氮板式熱沉中，氮氣壓力、氮氣入口流速以及熱沉自身流道深度對熱沉傳熱性能的影響。利用Ansys Fluent軟件，對板式熱沉壁面溫度分布情況以及進出口壓力損失進行模擬仿真。提高氮氣壓力和氮氣入口速度可以提升熱沉的溫度均勻性，但熱沉進出口壓力損失也會增大。對于氣氮-板式熱沉而言，流道深度的改變對熱沉溫度均勻性的影響不大，但流道深度較小時，進出口壓力損失較大。建議在設計氣氮-板式熱沉時，流道深度選擇在8~10 mm，外流程中氮氣壓力控制在0.3～0.4 MPa，氮氣流速控制在20 m/s為宜。

板式熱沉；氮氣；流道深度；有限元仿真

目前國內外空間環境模擬設備[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的方式與傳熱工質換熱，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行激光焊接，然后再進行整體成型和充壓脹型處理而形成的板式熱沉，傳熱工質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]。國內已有諸多學者對管翅式熱沉和板式熱沉進行了研究，王龍龍等人[7]對管翅式-氣氮熱沉的管徑比、支管間距進行了研究。袁修干等人[8]提出了改進管翅式-液氮熱沉溫度均勻性的理論計算和工程設計方法。張磊等人[9-10]研究了液氮流速、流道深度、流道間距以及進出口方式對板式熱沉換熱性能的影響。

氣氮調溫作為一種新型的控溫系統，因其調溫范圍寬、控溫精度高等被廣泛應用于大多數國家新研制的環模設備中[11]。文中利用流體力學和有限元分析方法，借助Ansys Fluent 19.2計算平臺，對以氮氣作為傳熱工質，處于穩態時的板式熱沉溫度場進行仿真計算，研究了循環氮氣壓力、氮氣入口速度以及流道深度對熱沉壁面溫度均勻性的影響，為熱沉的設計和結構改進提供參考。

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，形成一個長流道，每段各設一個進口和一個出口。主管管徑為50 mm，支管管徑為32 mm，進液方式為下進上出。矩陣焊點為菱形排布，邊長60 mm，焊點外圈直徑為14 mm，具體加工工藝可參考文獻[4]。由于熱沉為左右對稱結構，為減少計算量，只對其1/2進行仿真計算，簡化后的熱沉結構如圖1所示。

圖1 熱沉幾何模型

2 理論建模與數值求解

仿真模型的建立需要做以下假設：定常流動；工質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；由于工質為氮氣，忽略流體流動時的黏性耗散所產生的熱效應。

2.1 數學模型

流體的流動與傳熱包括3個基本方程：連續性方程、動量守恒方程、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 計算工況與邊界條件

文中主要研究在穩態下，改變循環氮氣壓力、入口氮氣流速以及熱沉流道深度對熱沉表面溫度均勻性和熱沉進出口氮氣壓力損失的影響，具體計算工況見表1。

表1 計算工況

Tab.1 Calculation conditions

利用Ansys Fluent19.2進行仿真計算時，采用速度入口、壓力出口，速度和壓力根據研究內容進行設定。入口氮氣溫度設置為373 K，熱沉外壁面與真空容器筒體之間只進行輻射換熱，溫度設為300 K，輻射系數設置為0.1。空載時熱沉內壁面之間無換熱，設置為絕熱條件。湍流模型采用標準-模型，壓力速度耦合采用Simple算法。

3 仿真結果與分析

3.1 氮氣壓力對熱沉溫度場的影響

研究氮氣壓力對熱沉溫度場的影響時，保持熱沉入口氮氣速度為20 m/s，流道深度為10 mm，設置氮氣壓力分別為0.1、0.3、0.5 MPa（溫度為373 K時的壓力）。不同氮氣壓力下熱沉內壁面溫度場分布如圖2所示。取位于熱沉內壁面中心面上流道中間等距的6個點作為分析點（如圖1所示），對熱沉的溫度均勻性進行研究。不同壓力下，熱沉內壁面上的溫差變化曲線如圖3所示，熱沉進出口氮氣壓力損失曲線如圖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，氮氣壓力分別為0.1、0.3、0.5 MPa時，熱沉內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氣壓力的升高而增強，但并不呈線性關系。氮氣壓力由0.1 MPa升高到0.3 MPa時，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，熱沉的溫度均勻性只增加了0.6 K。由此可見，當氮氣壓力升高到一定值時，繼續升高氮氣壓力，熱沉的溫度均勻性將不再變化。由圖4可知，熱沉的進出口壓力損失與氮氣壓力呈近似線性關系。隨著氮氣壓力的升高，系統的能量損失也相應增加，因此，建議氮氣壓力控制在0.3~ 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 入口速度對熱沉溫度場的影響

由于氮氣在管內的流速一般不超過25 m/s，故本次只研究入口氮氣速度分別為15、20、25 m/s時，氮氣速度對熱沉溫度場的影響。設置氮氣壓力為0.3 MPa，流道深度為10 mm。不同入口速度下，熱沉內壁面的溫度分布如圖5所示，熱沉內壁面上的溫差隨入口速度的變化曲線如圖6所示，熱沉進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，當入口速度分別設置為15、20、25 m/s時，熱沉內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系減小，即增大氮氣入口速度，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，熱沉進出口壓力降也以近似線性的關系增大。入口速度為25 m/s時，熱沉進出口壓力降約為12 866 Pa，能量損失較大。因此，氮氣入口速度并不是越大越好，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 流道深度對熱沉溫度場的影響

研究流道深度對熱沉溫度均勻性的影響時，保持氮氣入口速度為20 m/s，氮氣壓力為0.3 MPa，流道深度分別設置為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，熱沉內壁面上溫差隨流道深度的變化曲線如圖9所示，熱沉進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的過程中，熱沉內壁面上的溫差僅變化了0.3 K。因此，就氣氮-板式熱沉而言，流道深度對熱沉的溫度均勻性影響不大。由圖10可以看出，當流道深度由5 mm增加到8 mm時，熱沉的進出口壓力降由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 結論

通過以上對板式-氣氮熱沉的仿真與分析，可以得出以下結論。

1）提高氮氣壓力，有利于增強熱沉溫度均勻性，但當氮氣壓力超過0.3 MPa后，熱沉的溫度均勻性提高并不顯著，且氮氣壓力提高后熱沉的進出口壓力損失也會增大。因此，建議氮氣壓力在0.3~0.4 MPa之間。

2）增大氮氣入口速度，熱沉溫度均勻性會相應提升，同時，熱沉進出口壓力損失也會增大，建議氮氣入口速度20 m/s左右。

3）對于氣氮-板式熱沉而言，流道深度的改變對熱沉溫度均勻性的改善作用不大，但流道深度較小時，熱沉的進出口壓力損失很大。建議在設計氣氮-板式熱沉時，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，主要研究方向為空間環境模擬試驗設備。

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

楊建斌（1966—），男，碩士，研究員，主要研究方向為制冷技術及空間環境模擬試驗設備。

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