高溫磁流體動(dòng)密封結(jié)構(gòu)散熱特性分析與優(yōu)化

張 琛，劉金華，謝 鑫，袁詩(shī)詠，湯迎紅，米承繼，鄧英劍，張 靈

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

磁流體于20 世紀(jì)60 年代問(wèn)世，主要被用于真空密封環(huán)境，因其具有密封性好、無(wú)泄漏、壽命長(zhǎng)、無(wú)方向性密封、可靠性高及基本無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1-3]。發(fā)展至今，磁流體密封技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于反應(yīng)釜、航空航天、單晶爐、真空熱處理爐和光伏設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們已經(jīng)對(duì)磁流體密封結(jié)構(gòu)做了多項(xiàng)研究。Liu S. J.等[4]分析了4 種不同真空磁流體密封裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，為磁流體密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析提供了參考。朱維兵等[5]對(duì)離心壓縮機(jī)磁流體密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，優(yōu)化其密封性能，優(yōu)化的尺寸可為高速旋轉(zhuǎn)軸磁流體密封設(shè)計(jì)提供參考。Yuan F.等[6]對(duì)斜齒徑向磁流體密封結(jié)構(gòu)的密封能力進(jìn)行了研究，提出了一種徑向斜齒的軸向-徑向雙向磁流體密封結(jié)構(gòu)來(lái)提高密封性能，結(jié)果表明，較小角度的斜齒角度可使磁流體區(qū)域有較高的耐壓性能，而且還有較低的壓降和氣體流速。Zhang T.等[7]研究發(fā)現(xiàn)磁流體密封的失效壓力受永磁材料的影響，且得知磁流體密封的失效壓力和永磁體最大磁能積成正比；在這之后，與之成反比。Chen F.等[8]研究了工程機(jī)械液壓缸磁流體密封磁路，并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，設(shè)計(jì)了一種八磁源均勻極片結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，該磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法合理可行，對(duì)磁流體密封設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。程杰等[9]研究了極齒關(guān)鍵參數(shù)對(duì)磁流體密封熱特性的影響，通過(guò)研究表明，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加密封間隙和極齒高度、適當(dāng)減小極齒寬度，可以減小磁流體的發(fā)熱量。Guo Y. Q. 等[10]對(duì)大直徑磁流體密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，對(duì)磁性液體密封的低溫啟動(dòng)力矩和高溫耐壓性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到了磁性液體的最佳注入量。Yu W. J.等[11]研究了磁性液體蒸發(fā)對(duì)密封性能的影響，結(jié)果表明，蒸發(fā)在一定程度上增加了耐壓能力，提高了密封性能。Y. Mitamura 等[12]對(duì)安裝在植入式旋轉(zhuǎn)泵中的微型磁流體密封進(jìn)行了熱分析，當(dāng)傳熱系數(shù)大于500 時(shí)，溫升引起的磁化強(qiáng)度降低可忽略不計(jì)；溫升主要源于電機(jī)的熱流，而由黏性摩擦產(chǎn)生的溫升較小。Hao D.等[13]對(duì)高/低溫度下大直徑磁流體密封特性進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫下磁性液體飽和磁化強(qiáng)度降低會(huì)導(dǎo)致耐壓能力下降，低溫下磁性液體黏度增大是導(dǎo)致分離力矩變大的關(guān)鍵因素。Yao Y.等[14]研究了熱膨脹對(duì)磁流體密封性能的影響，數(shù)值結(jié)果表明,不同轉(zhuǎn)速下流體溫度和密封間隙發(fā)生變化,從而影響密封性能。李新銳等[15]對(duì)大軸徑磁流體真空動(dòng)密封裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果得出楔形極靴聚磁效果更好，飽和磁化強(qiáng)度高，密封能力強(qiáng)，密封的耐壓性和耐久性均與間隙呈負(fù)相關(guān)。Liu J.W.等[16]對(duì)環(huán)形磁流體密封的密封能力進(jìn)行了分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出了軸向磁化開(kāi)槽環(huán)形磁體磁性液體密封和徑向磁化環(huán)形磁體磁性液體密封的新結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)表面均表現(xiàn)出一定的密封能力。

以上研究有對(duì)基本結(jié)構(gòu)尺寸的分析與設(shè)計(jì)，進(jìn)而改善結(jié)構(gòu)的密封性和耐壓性；也有一些研究了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)熱特性產(chǎn)生的影響，研究高溫對(duì)結(jié)構(gòu)的密封性和耐壓性的影響；還有一些是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化耐壓性和密封性；但是目前對(duì)其散熱特性的研究較少，磁流體的工作溫度是有上限的，高溫環(huán)境中很容易使磁流體失效，改善基本結(jié)構(gòu)尺寸或是關(guān)鍵參數(shù)，但很難大幅降低其工作溫度，一些對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究也沒(méi)有討論溫度所產(chǎn)生的影響。因此，本文擬通過(guò)有限元分析方法對(duì)高溫磁流體動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的散熱特性進(jìn)行工作溫度的分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)密封結(jié)構(gòu)的溫度、壓力和流速進(jìn)行分析，并將結(jié)果與結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的溫度、壓力及流速進(jìn)行對(duì)比，以證明優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

2 某型高溫磁流體數(shù)值模型建立

2.1 計(jì)算流體力學(xué)

計(jì)算流體力學(xué)，其內(nèi)容包含有很多學(xué)科。隨著該方法現(xiàn)世，現(xiàn)已經(jīng)可以在一定程度上將一些和流體相關(guān)的物理現(xiàn)象定性并量化分析[17]。CFD 模擬通過(guò)計(jì)算機(jī)求解對(duì)應(yīng)模型的數(shù)值解，所以被廣泛應(yīng)用于各種工程技術(shù)領(lǐng)域[18]。由于某些化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜，如燃燒，想要用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證比較困難，且實(shí)驗(yàn)真實(shí)結(jié)果不易獲得，以及設(shè)備和環(huán)境等因素會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，此時(shí)CFD 的優(yōu)勢(shì)便可體現(xiàn)。

2.2 數(shù)值模擬理論

圖1 是數(shù)值模擬計(jì)算的一般步驟。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算流程圖Fig. 1 Numerical simulation calculation flowchart

2.2.1 基本控制方程

磁流體動(dòng)密封結(jié)構(gòu)研究所用到的流體力學(xué)3 個(gè)基礎(chǔ)方程為連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。3 種方程分別由物質(zhì)守恒定律、能量守恒定律和牛頓第二定律演化而來(lái)，但是一些因素會(huì)制約這些方程，會(huì)限制其使用條件，并不能很好地解決工程上相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題，此時(shí)就要用到湍流模型。

2.2.2 湍流模型

湍流現(xiàn)象：速度很小時(shí)，流體能分層運(yùn)動(dòng)，層與層之間互不滲透，阻力最小，為層流；當(dāng)速度增加很大時(shí)，流體的流線(xiàn)就會(huì)變得很亂無(wú)序，相鄰層會(huì)混合在一起，層流被打亂，這時(shí)的流動(dòng)稱(chēng)為湍流或紊流[19]。這種流動(dòng)狀態(tài)的改變可用雷諾數(shù)Re來(lái)量化，計(jì)算公式如式（1）所示，當(dāng)Re大于4 000 時(shí)的流體形態(tài)叫做湍流；其值越大湍流強(qiáng)度越劇烈[20]。

式中：ρ為流體密度；v為流體速度；d為特征長(zhǎng)度；μ為黏性系數(shù)。

湍流是目前較為常見(jiàn)的流動(dòng)狀態(tài)，F(xiàn)luent 中有多種湍流模型可供選擇。因?yàn)橹苯訑?shù)值模擬受相關(guān)計(jì)算資源影響較大，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用極少。非直接數(shù)值模擬對(duì)N-S方程作了相關(guān)簡(jiǎn)化，常用的模型包括[21]：k-ε、k-ω、k-τ。具體分類(lèi)如圖2 所示。

圖2 湍流模型的分類(lèi)Fig. 2 Classification of turbulence models

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型包含湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε的方程，工程中使用最多，如式（2）和（3）[22]：

式中：i和j分別為x、y和z各方向的坐標(biāo)分量；ui為x、y、z方向的速度矢量；Ek為平均速率所引起的湍動(dòng)能；Eb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；Yn為可壓縮湍流中對(duì)總耗能的影響；μt為湍流黏度系數(shù)；D1ε、D2ε、D3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，且D1ε=1.44，D2ε=1.92，D3ε= 0.09Sk，其中，S為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Rε為用戶(hù)設(shè)置的源項(xiàng)。

Realizablek-ε模型公式補(bǔ)充了曲率與轉(zhuǎn)動(dòng)，ε方程中引申項(xiàng)未涵蓋Ek。該模型考慮了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，可以用于剪切流動(dòng)、管內(nèi)流動(dòng)和分離流等情形。分離層和邊界層計(jì)算結(jié)果尤其可信，但此模型在旋轉(zhuǎn)和靜止都具備的環(huán)境下誤差較大，此時(shí)并不適用。

RNGk-ε模型把相關(guān)項(xiàng)實(shí)施局部調(diào)整，在紊流運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的小尺度作用被足夠考慮，提高了高速流動(dòng)的準(zhǔn)確性及漩渦流動(dòng)的精度，因此在廣泛流動(dòng)中比標(biāo)準(zhǔn)模型更可靠。

在RNGk-ε模型中湍流黏性系數(shù)可由式（4）計(jì)算：

式中Cv≈100。

此模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε顯著不同處在于額外項(xiàng)Lε：

式中：η0=4.38；β=0.012；η=Sk/ε。

3 兩種熱源條件下高溫磁流體動(dòng)密封結(jié)構(gòu)熱場(chǎng)分析

3.1 結(jié)構(gòu)和熱源條件

某型高溫磁流體動(dòng)密封裝置安裝在石墨烯反應(yīng)釜上，該裝置通過(guò)自身法蘭裝置與反應(yīng)釜頂部法蘭相連接，攪拌軸貫穿該裝置中心圓柱孔并伸入反應(yīng)釜內(nèi)。據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)的工人師傅提供的信息：1）該反應(yīng)釜在工作時(shí)僅需兩種溫度工況，分別為700, 500 ℃，兩種溫度工況皆通過(guò)反應(yīng)釜直接設(shè)置；2）為確保工作溫度的準(zhǔn)確性，還會(huì)在反應(yīng)釜工況穩(wěn)定的情況下通過(guò)高溫溫度計(jì)在磁流體動(dòng)密封裝置靠近熱源的位置處測(cè)量其溫度；3）冷卻水入水口的流速設(shè)置為10 m/s；4）該結(jié)構(gòu)在使用之前會(huì)對(duì)其進(jìn)行氣密性和溫度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)有氣密性實(shí)驗(yàn)如圖3 所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲知，該結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到密封要求；此結(jié)構(gòu)外殼的上表面設(shè)置有溫度檢測(cè)孔，通過(guò)高溫溫度計(jì)和該孔測(cè)得該結(jié)構(gòu)磁流體域內(nèi)圈正常工作最大溫度為299 ℃，極端工況下最大溫度為445 ℃。

圖3 氣密性實(shí)驗(yàn)Fig. 3 Air tightness experiment

首先，使用SolidWorks 三維建模軟件對(duì)某型高溫磁流體動(dòng)密封裝置進(jìn)行建模，因一些零件、圓形孔和一些細(xì)小的結(jié)構(gòu)對(duì)該仿真分析影響較小，因此同化一部分零件，刪去一部分孔類(lèi)和細(xì)小結(jié)構(gòu)，最終的簡(jiǎn)化模型如圖4 所示。

圖4 某型高溫磁流體動(dòng)密封裝置簡(jiǎn)化三維模型Fig. 4 Simplified three-dimensional model of a certain type of high-temperature magnetic fluid dynamio sealing device

然后，根據(jù)材料和一些需要設(shè)置的邊界條件劃分為磁流體域、實(shí)體域和水流域3 個(gè)部分，其材料分別為2cr13、304 和水；再通過(guò)ANSYS WorkBench 軟件對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所有部分皆使用四面體網(wǎng)格，因水流域部分采用湍流模型，所以要在水流域添加邊界層網(wǎng)格，如圖5 和圖6 所示。

圖5 模型網(wǎng)格劃分Fig. 5 Model meshing

圖6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)水管剖切面截面圖Fig. 6 Sectional view of the water pipe internal structure

最后，確定所需的邊界條件。由前文可知，該裝置的右端面與法蘭接觸相連，裝置中心圓柱內(nèi)表面與攪拌軸接觸連接，通過(guò)反應(yīng)釜腔體內(nèi)部溫度的傳遞，在有限元分析時(shí)，將這兩個(gè)面定義為熱源面。如圖6所示，將該模型圓柱孔的內(nèi)表面（A面）設(shè)為第一熱源面，將右端面（B面）設(shè)為第二熱源面。因該結(jié)構(gòu)有兩種溫度工況，所以需要進(jìn)行兩次有限元分析。第一次分析要為A面和B面同時(shí)施加第一種熱源溫度，為700 ℃；第二次分析為同時(shí)施加第二種熱源溫度，為500 ℃。設(shè)置入水口的流速為10 m/s，出水口的壓力為0 Pa。

3.2 仿真分析結(jié)果

定義水流域入水口的流速為10 m/s，并為熱源面A面、B面處分兩次施加兩種熱源：第一次為同時(shí)施加700 ℃，第二次為同時(shí)施加500 ℃；水作為該結(jié)構(gòu)的流體介質(zhì)；在水管剖切面定義輸出結(jié)果場(chǎng)，并通過(guò)WorkBench 計(jì)算溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)；其中網(wǎng)格數(shù)量為420 萬(wàn)，計(jì)算時(shí)間為50 h。

3.2.1 總體域溫度場(chǎng)

分別對(duì)總體域施加兩種熱源進(jìn)行流-熱耦合仿真，觀(guān)察并分析總體域在水管剖切面的兩種溫度云圖，具體結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，將熱源溫度設(shè)置為700 ℃時(shí)，水流域及其附近溫度在25～50 ℃的范圍，在此外的其他區(qū)域，位置越靠近熱源其溫度越高，平均溫度為400 ℃左右；將熱源溫度設(shè)置為500 ℃時(shí)，水流域及附近溫度也在25～50℃的范圍，平均溫度為310 ℃左右。

圖7 總體域兩種熱源下水管剖切面溫度場(chǎng)Fig. 7 Temperature field in the global domain of the water pipe section of two heat sources

3.2.2 磁流體域溫度場(chǎng)

磁流體分布在磁流體域的外表面，磁流體域在兩種熱源條件下水管剖切面的溫度場(chǎng)如圖8 所示。

圖8 磁流體域兩種熱源下水管剖切面溫度場(chǎng)Fig. 8 Temperature field in the section area of MHD water tubes of two heat sources

由圖8 可知，熱源溫度為700 ℃時(shí)磁流體域最高溫度為453 ℃，其附近溫度為210～230 ℃；熱源溫度為500 ℃時(shí)最高溫度為305 ℃，附近溫度為109～135 ℃；仿真溫度和實(shí)驗(yàn)溫度比較吻合。而磁流體工作溫度不能高于100 ℃，因此，此散熱結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)。

3.2.3 實(shí)體域溫度場(chǎng)

實(shí)體域與外部熱源相接觸，在兩種熱源條件下水管剖切面的溫度場(chǎng)如圖9 所示。

圖9 實(shí)體域兩種熱源下水管剖切面溫度場(chǎng)Fig. 9 Temperature field in solid domain of the water pipe section of two heat sources

由圖9 可知，當(dāng)熱源溫度在700 ℃時(shí)，靠近熱源的區(qū)域平均溫度為610 ℃左右，在水流域附近的溫度為90 ℃左右；當(dāng)熱源溫度為500 ℃時(shí)熱源附近的平均溫度為407 ℃左右，水流域附近溫度為79 ℃左右。因此，有必要在熱源處增加散熱渠道和面積。

3.2.4 水流域溫度場(chǎng)

水流域?yàn)槔鋮s液，可以帶走絕大部分熱量，其在兩種熱源條件下的水管剖切面溫度場(chǎng)如圖10 所示。

圖10 水流域兩種熱源下水管剖切面溫度場(chǎng)Fig. 10 Temperature field of water fluid domain in the water pipe section of two heat sources

由圖10 可知，熱源溫度為700 ℃時(shí)，水流域的平均溫度為57 ℃左右，最高溫度為240 ℃左右；熱源溫度為500 ℃時(shí)，水流域平均溫度為48 ℃左右，最高溫度為180 ℃左右，充分說(shuō)明介質(zhì)水能夠較好地帶走熱量；最高溫度出現(xiàn)的位置在熱源A面和熱源B面交接區(qū)域的出水口附近，該位置由于形成了渦流，高溫水在此聚集，故形成高溫區(qū)域。

3.2.5 水流域壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)

水流域結(jié)構(gòu)為圓柱形和環(huán)形的區(qū)域，不同的位置壓力不同，其在兩種熱源條件下水管剖切面的壓力場(chǎng)如圖11 所示。

圖11 水流域兩種熱源下水管剖切面壓力場(chǎng)Fig. 11 Pressure field in water fluid domain of the water pipe section of two heat sources

由圖11 可知，兩種熱源的壓力場(chǎng)最大值為1.133×105Pa 和1.188×105Pa，即1 個(gè)大氣壓（沒(méi)有包括外界的大氣壓），而實(shí)際壓力場(chǎng)為2 個(gè)大氣壓，約2 kg 壓力，出現(xiàn)在入水口附近截面突變位置。

水流域入水口的流速為10 m/s，相同的流速下兩種熱源條件下水管剖切面的速度場(chǎng)如圖12 所示。

圖12 水流域兩種熱源下水管剖切面速度場(chǎng)Fig. 12 Velocity field of water catchment in the pipe section of two heat sources

由圖12 可以得知，熱源溫度為700 ℃和500 ℃時(shí)，其水流的最高流速為12.89, 13.25 m/s，出現(xiàn)在出水口截面突變位置。通過(guò)兩種熱源壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的仿真分析結(jié)果可知，無(wú)論溫度如何變化，均不會(huì)對(duì)二者造成影響。

4 高溫磁流體動(dòng)密封結(jié)構(gòu)散熱特性改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)和熱源條件

根據(jù)原始結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和流速場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，提出散熱改進(jìn)方案：一是將水冷的散熱區(qū)域往右端面延伸；二是在靠近軸熱源部位開(kāi)設(shè)隔熱氣孔，改進(jìn)后的裝置如圖13 所示。然后，在同樣的熱源面即A面和B面施加同樣的兩種熱源溫度：一種為同時(shí)施加700 ℃，另一種為同時(shí)施加500 ℃。

圖13 優(yōu)化后磁流體結(jié)構(gòu)方案Fig. 13 Optimized MHD structure scheme

通過(guò)之前的仿真結(jié)果得知，速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)幾乎不受溫度的影響，因此此次只計(jì)算兩種熱源整個(gè)結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和水流域的壓力場(chǎng)，計(jì)算壓力場(chǎng)可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的改變是否對(duì)水流域的壓力產(chǎn)生影響。

4.2 優(yōu)化后兩種熱源仿真結(jié)果與分析

改進(jìn)后高溫磁流體動(dòng)密封裝置依然設(shè)有3 個(gè)入水口和3 個(gè)出水口，水流速度依然為10 m/s。

4.2.1 磁流體域溫度場(chǎng)

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，磁流體域在兩種熱源條件下水管剖切面的溫度場(chǎng)如圖14 所示。

圖14 改進(jìn)后磁流體域兩種熱源下水管剖切面溫度場(chǎng)Fig. 14 Improved temperature field in magnetic fluid domain of the water pipe section of two heat sources

由圖14 可以得知，將溫度分別設(shè)置為700 ℃和500 ℃時(shí)，兩種熱源下的磁流體域最高溫度分別為280 ℃和210 ℃，磁流體域附近結(jié)構(gòu)的最高溫度分別為116℃和93 ℃。相較于原始方案，優(yōu)化后兩種熱源冷卻方案的改進(jìn)均效果顯著，相比于優(yōu)化前磁流體域在兩種熱源下的最高溫度，分別降低了173 ℃和95 ℃。對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)溫度測(cè)量孔測(cè)得在700 ℃和500 ℃的熱源條件下，磁流體域最高溫度分別為268 ℃和196 ℃，仿真與實(shí)驗(yàn)的誤差均在10%以?xún)?nèi)，結(jié)果較為吻合。

4.2.2 實(shí)體域溫度場(chǎng)

結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化體現(xiàn)在實(shí)體域，以阻隔溫度傳遞和帶走熱量為目的，實(shí)體域在兩種熱源條件下水管剖切面的溫度場(chǎng)如圖15 所示。

圖15 改進(jìn)后實(shí)體域兩種熱源下水管剖切面溫度場(chǎng)Fig. 15 Improved temperature field in solid domain of the water pipe section of two heat sources

由圖15 可以得知，將實(shí)體域的溫度分別設(shè)置為700 ℃和500 ℃時(shí)，靠近熱源區(qū)域的平均溫度分別在580 ℃和390 ℃左右，水流域附近的溫度分別在51℃和47 ℃左右。由于新增了冷卻區(qū)域和隔熱氣孔，磁流體周?chē)Y(jié)構(gòu)的平均溫度分別為145 ℃和111 ℃，可見(jiàn)兩種熱源高溫區(qū)域的溫度均有所降低；相較于優(yōu)化前，在兩種熱源條件下，實(shí)體域在靠近熱源位置的平均溫度分別降低了30 ℃和17 ℃，因?yàn)樵搮^(qū)域非常靠近熱源，因此溫度降低的程度不大；水流域附近實(shí)體域的溫度分別降低了39 ℃和32 ℃。

4.2.3 水流域溫度場(chǎng)

因?qū)嶓w域的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，水流域也隨之變化，水流域在兩種熱源條件下水管剖切面的溫度場(chǎng)如圖16 所示。

圖16 改進(jìn)后水流域兩種熱源下水管剖切面溫度場(chǎng)Fig. 16 Improved temperature field of water fluid domain in the water pipe section of two heat sources

由圖16 可以得知，將水流域的溫度分別設(shè)置為700 ℃時(shí)的平均溫度為42 ℃左右，在500 ℃時(shí)在平均溫度為32 ℃左右，充分說(shuō)明介質(zhì)水能夠較好地帶走熱量；相比于優(yōu)化前，溫度為700 ℃時(shí)平均溫度降低了15 ℃，在500 ℃時(shí)降低了16 ℃。

4.2.4 水流域壓力場(chǎng)

結(jié)構(gòu)的改變，也會(huì)對(duì)水流域的壓力產(chǎn)生一定的影響，水流域在兩種熱源條件下水管剖切面的壓力場(chǎng)如圖17 所示。

圖17 改進(jìn)后水流域兩種熱源下水管剖切面壓力場(chǎng)Fig. 17 Improved pressure field in water fluid domain of the water pipe section of two heat sources

由圖17 可知，700 ℃和500 ℃時(shí)壓力場(chǎng)的最大值為1.114×105Pa 和1.115×105Pa，二者均為1 個(gè)大氣壓（未包括外界的大氣壓），而實(shí)際壓力場(chǎng)為2個(gè)大氣壓，約2 kg 壓力。由仿真結(jié)果證明，結(jié)構(gòu)的改變對(duì)水流域的壓力并不產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

1）優(yōu)化前，兩種熱源溫度下的磁流體附近結(jié)構(gòu)的溫度分別為220 ℃左右和120 ℃左右，超過(guò)了磁流體的正常工作溫度，會(huì)降低磁流體的壽命，加速整個(gè)結(jié)構(gòu)的損壞，因此，做出了增加冷卻水道和隔熱氣孔的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

2）增加冷卻區(qū)域和隔熱氣孔后，兩種熱源均能明顯并有效降低該結(jié)構(gòu)溫度，水流壓力和速度并無(wú)明顯變化。當(dāng)熱源溫度為700 ℃時(shí)，磁流體域的最高溫度相比優(yōu)化前降低了173 ℃，實(shí)體域在靠近熱源區(qū)域的平均溫度降低了30 ℃，水流域的平均溫度降低了15 ℃；在500 ℃時(shí)，三者分別降低了95 ℃、17 ℃和16 ℃；由此證明該方案的優(yōu)化效果明顯。

3）在700 ℃和500 ℃兩種熱源溫度下，磁流體域附近結(jié)構(gòu)的最高溫度分別為116 ℃和93 ℃，在700 ℃下，最高溫度超過(guò)了100 ℃，但也僅僅只在磁流體域的一個(gè)角，并不影響整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)行，因此該優(yōu)化方案可以降低結(jié)構(gòu)整體的溫度，也可以將磁流體的溫度降低至正常工作范圍，提高其使用壽命。