不銹鋼板式熱沉流動與傳熱的數(shù)值模擬
熱沉是環(huán)境模擬器中用來模擬冷黑環(huán)境的核心結(jié)構(gòu)，熱沉的溫度均勻性是其最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。本文采用數(shù)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(jié)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(jié)果，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為對優(yōu)化熱沉結(jié)構(gòu)、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似于板式換熱器的不銹鋼板式夾層結(jié)構(gòu)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，形成冷劑流動的通道。這種結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn)，冷劑流動暢通，液氮為工質(zhì)時不易出現(xiàn)氣堵。由于這種結(jié)構(gòu)熱沉的性能優(yōu)異，國內(nèi)已開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(nèi)冷劑穩(wěn)態(tài)流動傳熱情況以及溫度分布進(jìn)行了流動與傳熱特性分析，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(jié)果對熱沉設(shè)計與結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有參考價值。
1、不銹鋼板式熱沉內(nèi)冷劑流動與傳熱的理論建模與數(shù)值求解
1.1、熱沉內(nèi)冷劑流動與傳熱的數(shù)學(xué)模型
根據(jù)不銹鋼板式熱沉傳熱特點(diǎn)，數(shù)學(xué)模型建立時作以下假設(shè)：
(1)流動各物理量不隨時間變化，即為定常流動；
(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(nèi)冷劑的流速較低，忽略流體流動時黏性耗散所產(chǎn)生的熱效應(yīng)；
(5)冷劑僅為液相。
1.2、冷劑流動與傳熱的數(shù)值求解
熱沉有效空間直徑900 mm、長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(cè)，即U 型布置。冷劑從下進(jìn)液管進(jìn)入，通過3 條通道進(jìn)入板式熱沉的夾層中，當(dāng)夾層空間充滿液體后，再從3 條通道進(jìn)入出液匯總管。不銹鋼板式熱沉的結(jié)構(gòu)示如圖1 所示。
圖1 不銹鋼板式熱沉幾何模型
筒體熱沉結(jié)構(gòu)關(guān)于中心平面對稱，流場也是對稱的，只需對半個圓筒熱沉建模。使用Gambit 2.4作為網(wǎng)格生成工具，主體采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，局部采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。熱沉內(nèi)冷劑為穩(wěn)態(tài)流動，整個熱沉的冷劑流量為35 L/min，設(shè)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出口，不銹鋼板直接接受熱輻射，內(nèi)表面受到來自試件的恒定熱流率為33.255 W/m2，外表面受到來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邊界條件，其它壁面設(shè)定為固定壁面絕熱邊界條件。熱沉內(nèi)冷劑為ThermalHL80，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(dǎo)熱系數(shù)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(jié)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1200 mm小型不銹鋼板式熱沉來說，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。
