高功率轴快流CO2激光器气体强化传热研究

摘要

换热器是高功率轴快流CO2激光器的关键技术之一，强化换热器的传热效果、降低换热器的压损可以有效提高激光器的稳定性、缩小激光器的体积。为了使激光器的结构更加紧凑、降低激光风机的功耗、提高激光器的输出功率，本论文对高功率轴快流 CO2激光器换热器的管排结构进行了优化并设计了不同结构的涡流发生器。主要的研究工作包括：
　　创建了轴快流CO2激光器换热器的数值计算模型，结合边界层理论、气体湍流理论与尾区诱导速度分布理论分析了管束排布方式对换热器热交换效率与流阻的影响。根据理论分析以叉排布置的换热器代替原有顺排布置的换热器，使换热器的体积减小了14.2％。通过实验证明雷诺数400~1400范围内，在相同压力损失的前提下叉排换热器的换热效率比顺排换热器的换热效率提高了9%~24%。
　　建立了低雷诺数流体计算模型，分析轴快流CO2激光器换热器引入长方形涡流发生器之后流道内纵向涡旋的形成过程与铜管尾区的变化。模拟结果表明涡流发生器可以破坏温度边界层的形成、促进气体的混合、压缩铜管的尾区面积。因此涡流发生器可以有效提高换热器的换热效率。另外涡流发生器对换热器换热效率的提升效果与涡流发生器的安装方式和几何尺寸有很大关联。采用Taguchi法对十种不同尺寸与安装方式的涡流发生器进行了实验分析。在雷诺数400~1400范围内，引入方形涡流发生器后轴快流CO2激光器的气体换热效率提高了5%~17%，同时其摩擦因子也增加了23%~30%。
　　提出了一种结构新颖的组合涡流发生器，由一片带有梯形缺口的长方形主翼和一片辅助翼组成。组合涡流发生器以渐缩式布置在换热器的第一排铜管两侧，雷诺数的变化范围为400~1400。模拟结果表明组合涡流发生器的纵涡的中心强度更高而且辅助纵涡中心靠近翅片可以更有效的促进气体混合、破坏翅片表面边界层的形成。另外辅助纵涡可以直接流入尾区、压缩其面积、提高翅片利用率。实验数据表明，与安装长方形涡流发生器的换热器相比，其努塞尔数平均提高了5.5%，摩擦因子平均降低了3.5%。使用组合涡流发生器可以在提高轴快流CO2激光器气体热交换效率的同时减小涡流发生器的插入压力损失，降低激光器风机的运行负荷。
　　设计了一种椭圆形弯曲的涡流发生器，这种涡流发生器是将长方形翼片按照一定的椭圆率进行弯曲。通过数值计算发现流体在经过椭圆形弯曲涡流发生器时会形成三个不同种类的涡旋，依次为马蹄涡、横涡、纵涡。马蹄涡在位于换热器的流道的底部，可以对铜管壁面产生强烈的冲刷、抑制流动边界层的分离、减小换热器流道的流动阻力。通过实验研究了椭圆形弯曲涡流发生器的安装方式与几何结构对换热器热交换效率和流场特性的影响。最终成功实现了提高换热效率的同时降低流道的压力损失。通过引入这种涡流发生器有效的提高了轴快流CO2激光器6.8%的额定输出功率。

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1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 紧凑型轴快流CO2激光器的关键技术

1.3 强化换热技术的发展

1.4 本论文的研究内容

2 强化换热数值计算方法和评价指标

2.1 建模方法

2.2 算法选择与收敛标准

2.3 评价指标

2.4 本章小结

3 换热器结构及方形小翼涡流发生器的优化研究

3.1 翅片管换热器结构

3.2 实验方法

3.3 实验数据分析

3.4 数值分析

3.5 激光器运行实验

3.6 本章小结

4 组合小翼涡流发生器强化传热的研究

4.1 数值模拟方法

4.2 结果分析与讨论

4.3 组合小翼涡流发生器流场特性分析

4.4 激光器风机运行负荷测试

4.5 本章小结

5 椭圆形弯曲涡流发生器的流场特性

5.1 模型选取和计算方法

5.2 结果与分析

5.3 激光器输出功率实验

5.4 本章小结

6 全文总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间参与的科研活动