微通道冷卻器內(nèi)熱流固耦合過(guò)程的數(shù)值模擬.pdf

1、激光介質(zhì)熱效應(yīng)已成為制約激光器輸出功率與性能進(jìn)一步提高的嚴(yán)重障礙。一種新的、具有優(yōu)良冷卻效果的微通道冷卻系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。雖然國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)于微通道冷卻系統(tǒng)及激光介質(zhì)的熱效應(yīng)開(kāi)展了相關(guān)研究，但是極少綜合考慮流場(chǎng)、溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合（即熱流固耦合）的影響。
　　熱流固耦合力學(xué)是研究冷卻系統(tǒng)內(nèi)流體與固體之間的流動(dòng)與傳熱規(guī)律、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)引起的固體變形、變形固體對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)等影響規(guī)律的一門(mén)科學(xué)，已廣泛應(yīng)用于固體熱力學(xué)等相關(guān)方面的研究，由

2、此也產(chǎn)生了一系列的應(yīng)用軟件。ANSYS Workbench是由ANSYS公司開(kāi)發(fā)的一種協(xié)同仿真環(huán)境，在熱流固耦合研究方面有著廣泛的應(yīng)用。
　　本文以一種固體激光器用微通道雙面冷卻系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)固體激光器熱效應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行研究。首先以熱流固耦合力學(xué)為研究基礎(chǔ)，建立微通道冷卻系統(tǒng)的二維及三維物理模型，借助ANSYS Workbench進(jìn)行熱流固耦合初步分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究工況下的固體約束面的邊緣應(yīng)力最大，是容易出現(xiàn)熱疲勞的位置;研究條

3、件下，熱變形對(duì)通道內(nèi)流動(dòng)的影響可以忽略，說(shuō)明了本文采用單向熱流固耦合計(jì)算方法的可靠性。
　　其次，對(duì)微通道冷卻器維度、雷諾數(shù)等模擬基礎(chǔ)條件的研究發(fā)現(xiàn):二維和三維的模擬結(jié)果基本一致，用二維模擬可直接進(jìn)行微通道結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)等影響分析;通過(guò)對(duì)微通道中不同雷諾數(shù)下的傳熱特性分析，得到流體最佳操作條件對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)Re=3000;由動(dòng)態(tài)模擬可知，液體穩(wěn)定溫度為最高溫度，并且達(dá)到穩(wěn)定溫度的穩(wěn)定時(shí)間隨著雷諾數(shù)的增加而減小。通過(guò)對(duì)熱源及冷卻介質(zhì)等

4、不同操作參數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn):不同的玻片生熱量下，流體最佳操作雷諾數(shù)一致，但生熱量越大，通道內(nèi)最低壓力需求越高，且隨著雷諾數(shù)的增加，這種影響逐漸減小;不同冷卻介質(zhì)，單通道總壓降及玻片的溫度分布結(jié)果差異明顯;不同熱源形式下，同一玻片的溫度分布差別很小。通過(guò)對(duì)玻片厚度及微通道寬度等不同結(jié)構(gòu)參數(shù)分析發(fā)現(xiàn):綜合考慮玻片內(nèi)部溫升與泵浦光的吸收，可適當(dāng)增加玻片厚度;對(duì)于大寬高比下的微通道冷卻系統(tǒng)研究，可通過(guò)適當(dāng)?shù)目s減寬度來(lái)簡(jiǎn)化模型。
　　另外，分