微通道冷却器内热流固耦合过程的数值模拟

摘要

激光介质热效应已成为制约激光器输出功率与性能进一步提高的严重障碍。一种新的、具有优良冷却效果的微通道冷却系统应运而生。虽然国内外众多学者对于微通道冷却系统及激光介质的热效应开展了相关研究，但是极少综合考虑流场、温度场与应力场耦合（即热流固耦合）的影响。
　　热流固耦合力学是研究冷却系统内流体与固体之间的流动与传热规律、流场和温度场引起的固体变形、变形固体对流场和温度场等影响规律的一门科学，已广泛应用于固体热力学等相关方面的研究，由此也产生了一系列的应用软件。ANSYS Workbench是由ANSYS公司开发的一种协同仿真环境，在热流固耦合研究方面有着广泛的应用。
　　本文以一种固体激光器用微通道双面冷却系统为研究对象，对固体激光器热效应问题进行研究。首先以热流固耦合力学为研究基础，建立微通道冷却系统的二维及三维物理模型，借助ANSYS Workbench进行热流固耦合初步分析。结果发现，研究工况下的固体约束面的边缘应力最大，是容易出现热疲劳的位置;研究条件下，热变形对通道内流动的影响可以忽略，说明了本文采用单向热流固耦合计算方法的可靠性。
　　其次，对微通道冷却器维度、雷诺数等模拟基础条件的研究发现:二维和三维的模拟结果基本一致，用二维模拟可直接进行微通道结构及设计参数等影响分析;通过对微通道中不同雷诺数下的传热特性分析，得到流体最佳操作条件对应的雷诺数Re=3000;由动态模拟可知，液体稳定温度为最高温度，并且达到稳定温度的稳定时间随着雷诺数的增加而减小。通过对热源及冷却介质等不同操作参数的分析，发现:不同的玻片生热量下，流体最佳操作雷诺数一致，但生热量越大，通道内最低压力需求越高，且随着雷诺数的增加，这种影响逐渐减小;不同冷却介质，单通道总压降及玻片的温度分布结果差异明显;不同热源形式下，同一玻片的温度分布差别很小。通过对玻片厚度及微通道宽度等不同结构参数分析发现:综合考虑玻片内部温升与泵浦光的吸收，可适当增加玻片厚度;对于大宽高比下的微通道冷却系统研究，可通过适当的缩减宽度来简化模型。
　　另外，分析雷诺数及玻片生热量对玻片的热变形/应力的影响，得到:玻片的最大应力均出现在固定约束面的棱边位置，其值随雷诺数的增加而减小，而玻片的热变形在不同的流动状态下有不同的分布;随着玻片生热量的增加，玻片的最大应力及最大变形值基本呈线性增加。最后，考察了激光介质热效应对光束质量的影响，发现热变形引起的光程差占总光程差的比重较大，在分析热效应对光束质量的影响时不可忽略。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 固体激光器简介

1．2 固体激光器热效应

1．2．1 固体激光器热效应概述

1．2．2 固体激光器热效应发展进程

1．3 微通道冷却器的热效应研究现状

1．3．1 微通道冷却系统研究现状

1．3．2 激光介质热效应研究现状

1．4 微通道冷却器热流固耦合研究

1．4．1 热流固耦合简介

1．4．2 微通道冷却器热流固耦合分析

1．5 ANSYS Workbench软件简介

1．6 本文主要研究内容

2 微通道冷却器热流固耦合模拟基础

2．1 流动传热基本方程

2．1．1 流体控制方程

2．1．2 传热控制方程

2．1．3 耦合控制方程

2．2 离散方法概述

2．3 湍流模型及壁面函数选择

2．4 热应力／变形问题有限元基础

2．5 模拟求解方法

2．6 本章小结

3 微通道冷却系统热流固耦合初步分析

3．1 物理模型建立与模拟条件确定

3．1．1 物理模型建立

3．1．2 网格划分

3．1．3 模拟对象的物性参数确定

3．1．4 边界条件设置

3．2 热流固耦合初步分析结果与分析

3．2．1 流场、温度场及压力场计算结果

3．2．2 热应力及热变形计算结果

3．3 本章小结

4 微通道冷却系统传热特性的影响因素分析

4．1 模型验证及基础模拟条件确定

4．1．1 模型验证

4．1．2 模拟雷诺数范围的确定

4．1．3 模拟维度的确定

4．1．4 动态与稳态模拟方法的确定

4．2 热源及冷却介质对传热特性的影响分析

4．2．1 玻片生热量影响分析

4．2．2 冷却介质种类影响分析

4．2．3 热源形式影响分析

4．3 玻片厚度及通道宽度对传热特性的影响分析

4．3．1 玻片厚度影响分析

4．3．2 通道宽度影响分析

4．4 本章小结

5 玻片热变形及应力的数值模拟与光程差初步分析

5．1 雷诺数及生热量对玻片热变形／应力的影响分析

5．1．1 流动雷诺数影响分析

5．1．2 玻片生热量影响分析

5．2 光程差的初步分析

5．2．1 光程差计算理论基础

5．2．2 模拟结果与讨论

5．3 本章小结

结论

创新点与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢