不锈钢-气氮板式热沉仿真研究

魏龙涛，杨建斌，闫格

环境适应性设计与分析研究

不锈钢-气氮板式热沉仿真研究

魏龙涛，杨建斌，闫格

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

研究不锈钢-气氮板式热沉中，氮气压力、氮气入口流速以及热沉自身流道深度对热沉传热性能的影响。利用Ansys Fluent软件，对板式热沉壁面温度分布情况以及进出口压力损失进行模拟仿真。提高氮气压力和氮气入口速度可以提升热沉的温度均匀性，但热沉进出口压力损失也会增大。对于气氮-板式热沉而言，流道深度的改变对热沉温度均匀性的影响不大，但流道深度较小时，进出口压力损失较大。建议在设计气氮-板式热沉时，流道深度选择在8~10 mm，外流程中氮气压力控制在0.3～0.4 MPa，氮气流速控制在20 m/s为宜。

板式热沉；氮气；流道深度；有限元仿真

目前国内外空间环境模拟设备[1]中的热沉主要有两种形式：一种是在不锈钢支管上焊接铜翅片，形成管翅式热沉，铜翅片接收到的辐射热以热传导的方式与传热工质换热，传热阻力较大，且热沉温度均匀性较差；另一种形式是将两层不锈钢板以特定矩阵进行激光焊接，然后再进行整体成型和充压胀型处理而形成的板式热沉，传热工质直接与热沉表面换热，换热效率高，温度均匀性好，并且自身热容小（约为管翅热沉的60%）[2-6]。国内已有诸多学者对管翅式热沉和板式热沉进行了研究，王龙龙等人[7]对管翅式-气氮热沉的管径比、支管间距进行了研究。袁修干等人[8]提出了改进管翅式-液氮热沉温度均匀性的理论计算和工程设计方法。张磊等人[9-10]研究了液氮流速、流道深度、流道间距以及进出口方式对板式热沉换热性能的影响。

气氮调温作为一种新型的控温系统，因其调温范围宽、控温精度高等被广泛应用于大多数国家新研制的环模设备中[11]。文中利用流体力学和有限元分析方法，借助Ansys Fluent 19.2计算平台，对以氮气作为传热工质，处于稳态时的板式热沉温度场进行仿真计算，研究了循环氮气压力、氮气入口速度以及流道深度对热沉壁面温度均匀性的影响，为热沉的设计和结构改进提供参考。

1 几何模型

本次模拟仿真的热沉有效尺寸为1700 mm× 2300 mm，从中间等分为两段，每段中间又用折流板隔成3份，形成一个长流道，每段各设一个进口和一个出口。主管管径为50 mm，支管管径为32 mm，进液方式为下进上出。矩阵焊点为菱形排布，边长60 mm，焊点外圈直径为14 mm，具体加工工艺可参考文献[4]。由于热沉为左右对称结构，为减少计算量，只对其1/2进行仿真计算，简化后的热沉结构如图1所示。

图1 热沉几何模型

2 理论建模与数值求解

仿真模型的建立需要做以下假设：定常流动；工质为不可压缩的牛顿流体；重力和由于密度差所引起的浮力均忽略不计；由于工质为氮气，忽略流体流动时的黏性耗散所产生的热效应。

2.1 数学模型

流体的流动与传热包括3个基本方程：连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程，分别为：

式中：、、分别为速度在、、方向上的速度分量。

2.2 计算工况与边界条件

文中主要研究在稳态下，改变循环氮气压力、入口氮气流速以及热沉流道深度对热沉表面温度均匀性和热沉进出口氮气压力损失的影响，具体计算工况见表1。

表1 计算工况

Tab.1 Calculation conditions

利用Ansys Fluent19.2进行仿真计算时，采用速度入口、压力出口，速度和压力根据研究内容进行设定。入口氮气温度设置为373 K，热沉外壁面与真空容器筒体之间只进行辐射换热，温度设为300 K，辐射系数设置为0.1。空载时热沉内壁面之间无换热，设置为绝热条件。湍流模型采用标准-模型，压力速度耦合采用Simple算法。

3 仿真结果与分析

3.1 氮气压力对热沉温度场的影响

研究氮气压力对热沉温度场的影响时，保持热沉入口氮气速度为20 m/s，流道深度为10 mm，设置氮气压力分别为0.1、0.3、0.5 MPa（温度为373 K时的压力）。不同氮气压力下热沉内壁面温度场分布如图2所示。取位于热沉内壁面中心面上流道中间等距的6个点作为分析点（如图1所示），对热沉的温度均匀性进行研究。不同压力下，热沉内壁面上的温差变化曲线如图3所示，热沉进出口氮气压力损失曲线如图4所示。

图2 不同压力下热沉壁面温度分布云图

由图3可知，氮气压力分别为0.1、0.3、0.5 MPa时，热沉内壁面上的温差分别为4.2、1.6、1.0 K，即热沉的温度均匀性随着氮气压力的升高而增强，但并不呈线性关系。氮气压力由0.1 MPa升高到0.3 MPa时，热沉的温度均匀性增加了2.6 K；由0.3 MPa升高到0.5 MPa时，热沉的温度均匀性只增加了0.6 K。由此可见，当氮气压力升高到一定值时，继续升高氮气压力，热沉的温度均匀性将不再变化。由图4可知，热沉的进出口压力损失与氮气压力呈近似线性关系。随着氮气压力的升高，系统的能量损失也相应增加，因此，建议氮气压力控制在0.3~ 0.4 MPa。

图3 温差随压力变化曲线

图4 压力降随压力变化曲线

3.2 入口速度对热沉温度场的影响

由于氮气在管内的流速一般不超过25 m/s，故本次只研究入口氮气速度分别为15、20、25 m/s时，氮气速度对热沉温度场的影响。设置氮气压力为0.3 MPa，流道深度为10 mm。不同入口速度下，热沉内壁面的温度分布如图5所示，热沉内壁面上的温差随入口速度的变化曲线如图6所示，热沉进出口压力降随入口速度的变化曲线如图7所示。

图5 不同入口速度下热沉壁面温度分布云图

由图6可知，当入口速度分别设置为15、20、25 m/s时，热沉内壁面上的温差分别为2.1、1.6、1.2 K。温差随着入口速度的增大以近似线性的关系减小，即增大氮气入口速度，可以提高热沉温度均匀性。由图7可以看出，随着入口速度的增大，热沉进出口压力降也以近似线性的关系增大。入口速度为25 m/s时，热沉进出口压力降约为12 866 Pa，能量损失较大。因此，氮气入口速度并不是越大越好，入口速度选择20 m/s左右比较合适。

图6 温差随入口速度变化曲线 Fig.6 Curve of temperature difference with inlet velocity

图7 压力降随入口速度变化曲线Fig.7 Curve of pressure drop with inlet velocity

3.3 流道深度对热沉温度场的影响

研究流道深度对热沉温度均匀性的影响时，保持氮气入口速度为20 m/s，氮气压力为0.3 MPa，流道深度分别设置为5、8、10、12、15、20 mm。不同流道深度的热沉温度分布如图8所示，热沉内壁面上温差随流道深度的变化曲线如图9所示，热沉进出口压力降随流道深度的变化曲线如图10所示。

图8 不同流道深度的热沉温度分布云图

由图9可知，在流道深度由5 mm增加到2 0mm的过程中，热沉内壁面上的温差仅变化了0.3 K。因此，就气氮-板式热沉而言，流道深度对热沉的温度均匀性影响不大。由图10可以看出，当流道深度由5 mm增加到8 mm时，热沉的进出口压力降由16 083 Pa降低到9053 Pa，压力损失减小了1/2左右。随着流道深度的增加，压力损失也逐渐减小，但减小幅度开始变缓，且流道深度增大，热沉的加工难度也会增加。因此，建议热沉的流道深度选择在8~10 mm之间较为合适。

图9 温差随流道深度变化曲线

图10 压力降随流道深度变化曲线

4 结论

通过以上对板式-气氮热沉的仿真与分析，可以得出以下结论。

1）提高氮气压力，有利于增强热沉温度均匀性，但当氮气压力超过0.3 MPa后，热沉的温度均匀性提高并不显著，且氮气压力提高后热沉的进出口压力损失也会增大。因此，建议氮气压力在0.3~0.4 MPa之间。

2）增大氮气入口速度，热沉温度均匀性会相应提升，同时，热沉进出口压力损失也会增大，建议氮气入口速度20 m/s左右。

3）对于气氮-板式热沉而言，流道深度的改变对热沉温度均匀性的改善作用不大，但流道深度较小时，热沉的进出口压力损失很大。建议在设计气氮-板式热沉时，流道深度取8~10 mm为宜。

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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

魏龙涛（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为空间环境模拟试验设备。

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

杨建斌（1966—），男，硕士，研究员，主要研究方向为制冷技术及空间环境模拟试验设备。

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