高功率回旋管热仿真分析及优化设计

摘要

随着回旋管的频率升高，输出功率变高，对其稳定性、可靠性与寿命也提出了更高的要求。回旋管中的高频谐振腔的热特性是直接制约回旋管性能的重要因素。谐振腔在正常工作下会因为介质损耗产生欧姆损耗，欧姆损耗产生的热量过多，会造成谐振腔腔体发生形变，形变后的谐振腔会影响腔体的谐振频率，降低注波互作用的效率。Denisov辐射器是接收从高频结构发射出来的波束并进行处理，它的好坏直接决定了整个模式变换器的性能，需要进行良好的散热设计。对于回旋管的实际输出功率，需要设计水负载吸收微波，进而测量输出功率的值。 本论文主要对回旋管的互作用谐振腔做了流体热分析和耦合热形变分析，对Denisov辐射器进行了热分析和优化设计，对水负载进行了设计仿真和实验测试。本论文的工作内容包括四个方面： 1.简述回旋振荡管和传热学的相关理论及ANSYS软件 研究了回旋管的各个组成部分及其工作原理。主要分析了散热性不足对谐振腔的影响。对传热学的基本传递方式和工作机理做了简单阐述，对流换热的基本理论简述和相关方程推导。对ANSYS Workbench软件热分析和热形变分析的仿真流程和各种边界条件、相变模型和湍流模型做了基本介绍。 2.对回旋管高频谐振腔的热分析 选择轴向槽作为谐振腔散热槽，利用ANSYS软件对竖槽型谐振腔进行热分析，得到良好的竖槽尺寸。通过ANSYS Workbench软件对谐振腔进行流体热分析，利用重新计算后的电导率求得非均匀分布的欧姆损耗密度分布，截取谐振腔一部分进行流体热分析。耦合结构力学模块进行热形变分析，通过腔体形变大小，得出谐振频率的变化和腔内电场的变化情况。 3.对Denisov辐射器进行了热分析及优化设计 对Denisov辐射器进行热分析。在辐射器切口处没有加散热槽的情况下，对辐射器外壁开槽，选择竖直槽和螺旋槽，对开槽个数和槽宽进行设计，得到良好的散热结构。在辐射器切口处加入散热槽进行优化设计，求得更加良好的散热结构。 4.水负载的设计以及实验测试 利用HFSS电磁仿真软件对水负载进行仿真优化，对倾斜角度和窗片厚度优化，设计符合要求的水负载。测试输入和输出的功率，验证水负载设计的优劣。

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MASTER THESIS

UDC注1

答辩委员会主席

注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号

High-power gyrotron thermal simulation analysis an

A Master Thesis Submitted to

University of Electronic Science and Technology of

School: School of Electronic Science and Engin

ABSTRACT

第一章 绪 论

1.1回旋管的概述

1.2研究背景及意义

1.3国内外热分析研究现状

1.4本论文结构安排

第二章 传热学基础理论及ANSYS Workbench软件

2.1传热学理论基础

2.1.1传热内容与研究方法

2.1.2热传递的基本方式

2.2对流换热的基本理论

2.2.1管槽内湍流强制对流传热关联式

2.3流体力学基础

2.3.1流体力学基本方程组

2.3.2流体问题的边界条件设定

2.4 ANSYS简介

2.4.1 ANSYS Workbench软件简介

2.4.2 ANSYS FLUENT简介

2.4.3 ANSYS FLUENT热分析

2.5本章小结

第三章 谐振腔的流体热分析

3.1谐振腔的热特性分析

3.2谐振腔的热分析

3.2.1谐振腔散热槽设计

3.3 互作用谐振腔流体热分析

3.3.1谐振腔的热形变分析

3.4谐振腔形变对腔体影响

3.5本章小结

第四章 回旋管的辐射器热分析和输出结构的水负载设计

4.1 Denisov辐射器热特性研究

4.2对Denisov辐射器的热分析及散热槽优化设计

4.3水负载设计

4.3.1水负载的工作原理

4.4水负载结构仿真与优化设计

4.5实验测试过程与结果分析

4.6本章小结

第五章 总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果