本文關鍵詞：高功率光纖激光器熱控技術研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：目前高功率光纖激光器已在科研、民用和軍事方面得到了廣泛的應用,隨著對光纖激光器功率的要求越來越高,其較大的表面積和體積比,已經(jīng)不能滿足散熱要求。大量的熱積累會對關鍵的功率器件造成熱損壞,甚至影響光纖激光器的系統(tǒng)及性能。因此就需要采取有效的熱控技術對高功率光纖激光器進行散熱處理,以滿足安全使用要求。本文以高功率光纖激光器為研究對象,根據(jù)光纖激光器關鍵功率器件的散熱機理,在對水冷散熱結構優(yōu)化的基礎上,提出了一種基于相變儲熱的空間用高功率光纖激光器的無水冷卻技術。主要工作如下:首先,分析了光纖激光器系統(tǒng)的組成和工作原理,對不同的產(chǎn)熱部位進行產(chǎn)熱機理和熱分布規(guī)律研究,搭建相應的產(chǎn)熱數(shù)學模型,分析了熱效應對不同的關鍵功率器件的性能影響。針對地面和空間的不同工況條件,選用水冷和無水冷卻兩種不同的熱控技術對激光器進行散熱。其次,在ICEPAK中建立水冷板結構有限元仿真模型,設置相應的邊界條件,對流道結構、流體流速等多因素進行研究,分析其對散熱效果的影響。在Pro/E中建立無水冷卻的熱緩沖裝置模型,在Workbench中進行有限元熱分析,增加半導體制冷(TEC),進行相變儲熱冷卻的強化研究,優(yōu)化散熱效果。最后,對優(yōu)化的結果進行實驗研究,對比仿真結果,分析了誤差產(chǎn)生的原因,相互驗證了仿真和實驗的可靠性與準確性,從而真實地反映了不同的散熱措施,不同的參數(shù)對散熱效果的影響。結果表明:水冷散熱中水冷板的結構、流體的流速、流道的截面積對水冷的散熱效果影響程度較大。基于相變儲熱的無水冷卻,通過增加金屬導熱和熱電制冷的方式可有效減緩相變材料的潛熱階段,使?jié)摕岬臅r間延長了15%,降低了光纖激光器的工作占空比,與鋁熱沉相比質量減小了60%,滿足空間全固態(tài)、輕量化要求。在此基礎之上,又進行了千瓦級光纖激光器的整機水冷和無水冷卻設計。為高功率光纖激光器的散熱提供了理論支持和實際應用經(jīng)驗。因此,研究高功率光纖激光器的熱控技術,尤其是空間用高功率光纖激光器的熱控技術,對后續(xù)高功率激光器的設計和優(yōu)化具有工程實際應用價值和理論指導意義。
【關鍵詞】：光纖激光器 有限元 熱效應 水冷 相變冷卻
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN248
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-18
• 1.1 課題來源、背景和意義11-13
• 1.1.1 課題來源11
• 1.1.2 課題背景11-12
• 1.1.3 課題目的和意義12-13
• 1.2 熱設計的研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3 高功率光纖激光器熱控技術的研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-16
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容16-17
• 1.5 本章小結17-18
• 2 熱設計理論基礎18-34
• 2.1 熱源和熱阻18-19
• 2.2 熱傳遞方式19-23
• 2.2.1 熱傳導19-20
• 2.2.2 熱對流20-21
• 2.2.3 熱輻射21-22
• 2.2.4 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)傳熱22-23
• 2.3 熱控制方法23-24
• 2.4 冷板散熱24-29
• 2.4.1 流態(tài)判斷25-26
• 2.4.2 液冷冷板的換熱計算26-29
• 2.5 儲熱冷板29-30
• 2.5.1 儲熱冷板的換熱計算29-30
• 2.6 熱電制冷30-32
• 2.6.1 熱電制冷的基本原理30-32
• 2.7 本章小結32-34
• 3 高功率光纖激光器熱分析34-46
• 3.1 光纖激光器的組成及原理34-35
• 3.2 泵浦源的熱分析35-38
• 3.2.1 泵浦源產(chǎn)熱機理35-37
• 3.2.2 熱效應對LD的影響37-38
• 3.3 有源光纖的熱分析38-42
• 3.3.1 有源光纖的產(chǎn)熱機理38-39
• 3.3.2 有源光纖的熱分布規(guī)律39-42
• 3.3.3 熱效應對有源光纖的影響42
• 3.4 光纖熔接點熱效應分析42-44
• 3.4.1 光纖熔接點的熱分布規(guī)律43
• 3.4.2 熱效應對光纖熔接點的影響43-44
• 3.5 熱控制方法的選擇44-45
• 3.6 本章小結45-46
• 4 高功率光纖激光器的液冷散熱技術研究46-66
• 4.1 液冷系統(tǒng)介紹46
• 4.2 冷板結構設計46-48
• 4.3 冷卻介質的選取48-49
• 4.4 冷板散熱數(shù)值仿真研究49-50
• 4.4.1 熱分析軟件介紹49-50
• 4.4.2 邊界條件和求解器設置50
• 4.5 不同參量對散熱效果影響程度分析50-61
• 4.5.1 三種光纖槽的散熱效果50-51
• 4.5.2 不同冷板結構的散熱效果研究51-57
• 4.5.3 不同流速對散熱效果的影響57-58
• 4.5.4 不同流道截面積對散熱效果的影響58-60
• 4.5.5 熱源與流道間的距離對散熱效果的影響60
• 4.5.6 不同尺寸繞流柱對散熱效果的影響60-61
• 4.6 冷板的優(yōu)化設計61-64
• 4.6.1 冷板散熱的實驗測試62-64
• 4.6.2 實驗數(shù)據(jù)分析64
• 4.7 光纖激光器水冷設計64-65
• 4.8 本章小結65-66
• 5 高功率光纖激光器無水冷卻技術研究66-82
• 5.1 無水冷卻系統(tǒng)66-67
• 5.2 相變材料的選取67-68
• 5.3 熱緩沖裝置結構設計68-69
• 5.4 相變儲熱散熱數(shù)值仿真研究69-73
• 5.4.1 熱沉結構的散熱效果研究69-70
• 5.4.2 相變儲熱的強化分析70-73
• 5.5 相變儲熱和熱電制冷相結合的優(yōu)化散熱研究73-75
• 5.6 無水冷卻的測試與分析75-80
• 5.6.1 無水冷卻的實驗測試75-77
• 5.6.2 實驗數(shù)據(jù)分析77-80
• 5.7 光纖激光器無水冷卻設計80
• 5.8 本章小結80-82
• 6 總結與展望82-85
• 6.1 總結82-83
• 6.2 展望83-85
• 參考文獻85-89
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果89-90
• 致謝90-91

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4 本報記者 胡Z

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