發(fā)布時間：2017-10-18 03:23

  本文關(guān)鍵詞：微通道冷卻器內(nèi)熱流固耦合過程的數(shù)值模擬

  更多相關(guān)文章： 固體激光器 熱效應(yīng) 熱流固耦合 微通道 ANSYS Workbench

【摘要】：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)運而生。雖然國內(nèi)外眾多學(xué)者對于微通道冷卻系統(tǒng)及激光介質(zhì)的熱效應(yīng)開展了相關(guān)研究,但是極少綜合考慮流場、溫度場與應(yīng)力場耦合(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與傳熱規(guī)律、流場和溫度場引起的固體變形、變形固體對流場和溫度場等影響規(guī)律的一門科學(xué),已廣泛應(yīng)用于固體熱力學(xué)等相關(guān)方面的研究,由此也產(chǎn)生了一系列的應(yīng)用軟件。ANSYS Workbench是由ANSYS公司開發(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)為研究對象,對固體激光器熱效應(yīng)問題進(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；研究條件下,熱變形對通道內(nèi)流動的影響可以忽略,說明了本文采用單向熱流固耦合計算方法的可靠性。其次,對微通道冷卻器維度、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)計參數(shù)等影響分析；通過對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應(yīng)的雷諾數(shù)Re=3000；由動態(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)定時間隨著雷諾數(shù)的增加而減小。通過對熱源及冷卻介質(zhì)等不同操作參數(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�。徊煌鋮s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。通過對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；對于大寬高比下的微通道冷卻系統(tǒng)研究,可通過適當(dāng)?shù)目s減寬度來簡化模型。另外,分析雷諾數(shù)及玻片生熱量對玻片的熱變形／應(yīng)力的影響,得到：玻片的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在固定約束面的棱邊位置,其值隨雷諾數(shù)的增加而減小,而玻片的熱變形在不同的流動狀態(tài)下有不同的分布；隨著玻片生熱量的增加,玻片的最大應(yīng)力及最大變形值基本呈線性增加。最后,考察了激光介質(zhì)熱效應(yīng)對光束質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)熱變形引起的光程差占總光程差的比重較大,在分析熱效應(yīng)對光束質(zhì)量的影響時不可忽略。
【關(guān)鍵詞】：固體激光器 熱效應(yīng) 熱流固耦合 微通道 ANSYS Workbench
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ021.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 文獻(xiàn)綜述11-26
• 1.1 固體激光器簡介11-13
• 1.2 固體激光器熱效應(yīng)13-15
• 1.2.1 固體激光器熱效應(yīng)概述13-15
• 1.2.2 固體激光器熱效應(yīng)發(fā)展進(jìn)程15
• 1.3 微通道冷卻器的熱效應(yīng)研究現(xiàn)狀15-21
• 1.3.1 微通道冷卻系統(tǒng)研究現(xiàn)狀15-19
• 1.3.2 激光介質(zhì)熱效應(yīng)研究現(xiàn)狀19-21
• 1.4 微通道冷卻器熱流固耦合研究21-22
• 1.4.1 熱流固耦合簡介21-22
• 1.4.2 微通道冷卻器熱流固耦合分析22
• 1.5 ANSYS Workbench軟件簡介22-25
• 1.6 本文主要研究內(nèi)容25-26
• 2 微通道冷卻器熱流固耦合模擬基礎(chǔ)26-36
• 2.1 流動傳熱基本方程26-29
• 2.1.1 流體控制方程26-29
• 2.1.2 傳熱控制方程29
• 2.1.3 耦合控制方程29
• 2.2 離散方法概述29-30
• 2.3 湍流模型及壁面函數(shù)選擇30-33
• 2.4 熱應(yīng)力/變形問題有限元基礎(chǔ)33-34
• 2.5 模擬求解方法34-35
• 2.6 本章小結(jié)35-36
• 3 微通道冷卻系統(tǒng)熱流固耦合初步分析36-49
• 3.1 物理模型建立與模擬條件確定36-41
• 3.1.1 物理模型建立36-38
• 3.1.2 網(wǎng)格劃分38-39
• 3.1.3 模擬對象的物性參數(shù)確定39-40
• 3.1.4 邊界條件設(shè)置40-41
• 3.2 熱流固耦合初步分析結(jié)果與分析41-48
• 3.2.1 流場、溫度場及壓力場計算結(jié)果42-45
• 3.2.2 熱應(yīng)力及熱變形計算結(jié)果45-48
• 3.3 本章小結(jié)48-49
• 4 微通道冷卻系統(tǒng)傳熱特性的影響因素分析49-65
• 4.1 模型驗證及基礎(chǔ)模擬條件確定49-54
• 4.1.1 模型驗證49-50
• 4.1.2 模擬雷諾數(shù)范圍的確定50-52
• 4.1.3 模擬維度的確定52-53
• 4.1.4 動態(tài)與穩(wěn)態(tài)模擬方法的確定53-54
• 4.2 熱源及冷卻介質(zhì)對傳熱特性的影響分析54-61
• 4.2.1 玻片生熱量影響分析55-57
• 4.2.2 冷卻介質(zhì)種類影響分析57-60
• 4.2.3 熱源形式影響分析60-61
• 4.3 玻片厚度及通道寬度對傳熱特性的影響分析61-64
• 4.3.1 玻片厚度影響分析62-63
• 4.3.2 通道寬度影響分析63-64
• 4.4 本章小結(jié)64-65
• 5 玻片熱變形及應(yīng)力的數(shù)值模擬與光程差初步分析65-74
• 5.1 雷諾數(shù)及生熱量對玻片熱變形/應(yīng)力的影響分析65-70
• 5.1.1 流動雷諾數(shù)影響分析65-68
• 5.1.2 玻片生熱量影響分析68-70
• 5.2 光程差的初步分析70-73
• 5.2.1 光程差計算理論基礎(chǔ)70-72
• 5.2.2 模擬結(jié)果與討論72-73
• 5.3 本章小結(jié)73-74
• 結(jié)論74-75
• 創(chuàng)新點與展望75-76
• 參考文獻(xiàn)76-81
• 附錄A 符號說明81-83
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況83-84
• 致謝84-85

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 賈春燕;王暢;劉萬發(fā);高艷安;公發(fā)全;劉通;;浸入式液冷固體激光器用冷卻液體的研究[J];現(xiàn)代化工;2015年10期

2 張釗;李林林;鄭樸;趙舉;;芯片水冷式微通道散熱器的優(yōu)化設(shè)計[J];制冷與空調(diào);2015年05期

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本文編號：1052659