喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的热特性仿真分析及实验研究

为分析喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的热特性,设计用于冷却复合陶瓷薄片的喷流冷却系统.利用湍流换热理论和计算流体动力学仿真方法建立喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的流固耦合热仿真模型,定义评价其冷却能力和冷却均匀性的定量参数.根据该仿真模型得到喷流冷却系统的最优设计参数,并进行实验验证.使用163孔喷板,流量为0.2kg/s,入口温度为20℃,在1200 W泵浦时获得359 W激光输出功率,并测得复合陶瓷薄片上表面的最高温度为92℃.激光输出功率与复合陶瓷薄片上表面温度均与泵浦功率呈近似正线性关系,且温度的实验值与仿真值相符度较高.     

喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的热特性仿真分析及实验研究（英文）

为分析喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的热特性,设计用于冷却复合陶瓷薄片的喷流冷却系统.利用湍流换热理论和计算流体动力学仿真方法建立喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的流固耦合热仿真模型,定义评价其冷却能力和冷却均匀性的定量参数.根据该仿真模型得到喷流冷却系统的最优设计参数,并进行实验验证.使用163孔喷板,流量为0.2kg/s,入口温度为20℃,在1 200 W泵浦时获得359 W激光输出功率,并测得复合陶瓷薄片上表面的最高温度为92℃.激光输出功率与复合陶瓷薄片上表面温度均与泵浦功率呈近似正线性关系,且温度的实验值与仿真值相符度较高.     

迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统冷却效果研究

对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统的冷却效果进行了分析, 研究了相同总压不同流速的逆向喷流对组合结构的流场、气动受力及壁面传热的影响. 通过与相关的实验结果对比, 验证了数值方法的可靠性. 研究发现:该结构能够有效地对飞行器鼻锥表面进行冷却, 引入很小总压的逆向喷流(逆喷总压比 PR=0.1), 组合结构的冷却效果就可以远远优于单一的迎风凹腔; 相同逆向喷流总压下, 逆喷速度越高, 逆喷流量越大, 外壁面的冷却效果越好; 随逆喷流速提高, 气动阻力也进一步减小. 本文研究的组合结构非常适用于     

空气喷吹强化水平旋转圆筒的冷却

一、前言 空气冷却旋转圆筒,文献[1]曾研究了均匀流场中空气外掠水平旋转圆筒的换热,实验圆筒直径50mm。文献[2]则在忽略自然对流的条件下,对均匀流场理想绕流的旋转圆筒换热进行了理论分析。对于较大直径的旋转圆筒,采用置于风洞中冷却的方法是极不经济的,有鉴于此,本文提出采用条形喷咀喷吹的方法强化旋转圆筒的冷却,并研究了它的换热过程,得到了换热关联式。     

迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统冷却效果研究

对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统的冷却效果进行了分析, 研究了相同总压不同流速的逆向喷流对组合结构的流场、气动受力及壁面传热的影响. 通过与相关的实验结果对比, 验证了数值方法的可靠性. 研究发现:该结构能够有效地对飞行器鼻锥表面进行冷却, 引入很小总压的逆向喷流(逆喷总压比 PR=0.1), 组合结构的冷却效果就可以远远优于单一的迎风凹腔; 相同逆向喷流总压下, 逆喷速度越高, 逆喷流量越大, 外壁面的冷却效果越好; 随逆喷流速提高, 气动阻力也进一步减小. 本文研究的组合结构非常适用于远程、 需长时间飞行的高超声速飞行器的热防护.     

高功率固体激光器用气助式雾化无沸腾换热性能的实验研究

以水为工质,在维持热流密度及进口水温不变的条件下,进行气助式雾化无沸腾喷雾冷却实验。分析了液体流量、压力以及气体流动参数对雾化液滴索太尔直径dSMD的影响,并进一步研究了其对换热能力及换热表面温度均匀性的影响。实验结果表明气液质量流量比高于5%时,气液压力相当,可以实现气液相对速度、气体动能利用率、气耗率的最优匹配,可以得到最好的换热效果,而液体压力略低于气体压力,可以得到较好的温度均匀性;气液质量流量比低于5%时,气体压力略高于液体压力,保证气体动能利用率的同时提高了气液相对速度,优化了液体雾化和雾滴分布,得到了最好的换热性能和温度均匀性。     

侧面抽运板状激光介质的热汇冷却

高热负荷固体激光介质的热效应已经成为制约激光器功率进一步提高的严重障碍,只有对激光介质进行有效的冷却才能保证其安全运行。以不均匀换热系数模型为基础,研究了具有非均匀内热源的侧面双向抽运板状激光介质在狭窄通道强制对流冷却情况下的耦合换热问题,对热汇冷却方案下介质的温度分布和热应力分布进行了数值模拟和分析,并对复合介质、蓝宝石和金刚石三种热汇材料进行对比。结果表明,忽视换热系数的非均匀性将导致应力计算结果偏低。对于侧面抽运、侧面冷却的激光介质,金刚石热汇冷却方案最佳,蓝宝石热汇方案次之,而复合介质方案不宜采用。     

基于板式换热器的天然气冷却模拟与实验研究

结合实际工程项目,针对某新型天然气冷箱液化流程中的三台钎焊板式换热器,采用双通道耦合换热模型,以分段线性插值法计算天然气物性,基于FLUENT软件进行了天然气冷却换热过程的CFD数值模拟仿真,并开展了该新型冷箱的实验测试研究。将数值模拟计算结果与HSYSY工艺流程设计值以及实验测试结果进行对比。结果表明,数值模拟计算结果与HSYSY设计值平均误差为4.94%,证明了采用CFD数值模拟方法对HYSYS工艺流程设计与设备选型进行校核具有一定的参考价值。数值模拟计算结果与实验测试结果平均误差为7.78%,证明了数值模拟仿真所采用的简化假设、换热模型以及求解方法对于板式换热器天然气冷却换热过程是合理的。     

高速受限混合层结构和效应实验研究

受限混合层的流动主要是喷流与自由来流相互剪切形成的混合层受到壁面的限制而形成的一种流动.文章采用后向台阶平板模型研究了高速高压比条件下的受限混合层的典型流场结构以及冷却效率.实验自由来流Mach数为5, 喷流的Mach数为1.28, 喷流总压为0.2~0.7 MPa, 通过调整冷喷气流的总压, 基于纹影流动显.形成喷口附近波系的欠膨胀流动现象的深刻认识, 提取波系特征与流动参数之间的规律.基于流动显示及实验测量结果, 通过分析流场中大尺度结构的空间演化规律, 揭示流动参数对于冷却效率的影响规律及物理内涵.采用快响应压敏漆(FRPSP)技术在高超声速风洞开展热流分布和冷却效率研究, 获得了平板对受限混合层冷却效率的影响.      

开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究

针对高热流密度激光介质高效散热与均匀冷却技术需求，设计并搭建了以去离子水为冷却工质的开式单喷嘴喷雾冷却实验平台，实验研究获得了不同热流密度（16～110 W/cm2）、不同冷却工质流量（200～300 mL/min）以及不同喷雾高度（15～25 mm）下单相喷雾冷却换热系数及其冷却均匀性效果。结果表明:该实验工况下，不同热流密度条件下喷雾高度及工质流量对于单相喷雾冷却换热效率及温度均匀性影响显著；喷雾高度15 mm、工质流量200 mL/min时获得最大对流换热系数为5.93 W/（cm2·K）；喷雾高度15 mm、工质流量250 mL/min时面积20 mm×20 mm的热源表面温度均匀性最佳可优于0.6 ℃。     

激光相干合成中单元的相位和振幅波动对合成光束远场分布的影响

运用傅里叶光学分析法推导出系统抖动造成单个光源的相位和振幅发生波动时的远场光强表达式,以1维阵列为例分析了系统抖动对远场的影响。研究表明:随着参与合束的发光单元数目的增加,尖峰变锐,能量更集中;系统抖动引起了远场峰值光强的减少,出现了本底现象,破坏了远场的对称性和光束质量;激光阵列单个光源的相位随机抖动应该控制在3/8范围内;相干合束发光单元数目越多,系统抖动对远场的影响越小。     

影响HL-2M 偏滤器靶板冷却性能的结构参数研究

在石墨瓦和热沉板可达到的最高温度的优化目标下,基于热传导和对流换热方程,利用CFX软件采用单一参数分析的方法对HL-2M偏滤器石墨瓦厚度、热沉板内管道中心位置、管道直径、石墨瓦与热沉板接触热阻等关键结构设计变量进行了数值仿真及分析。研究结果表明：石墨瓦厚度为25mm时,HL-2M偏滤器冷却性能最佳;热沉板内管道中心离靶板表面越远,其热交换性能越差,且近似呈线性关系;热沉板内管道直径增大,对偏滤器冷却性能略有提高;石墨瓦与热沉板之间传热系数越大,偏滤器冷却性能有所改善,但对热沉板的热冲击越大。     

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利用ANSYS CFX有限元程序建立了HL-2M欧姆测试线圈和冷却水模型,应用热传导和对流换热方程建立了流固边界层,对线圈的温升和冷却进行了流固耦合计算。计算结果表明,线圈由焦耳热引起的最高温升与电流密度、等效放电运行时间有关,而冷却水流量对最高温升影响较小,冷却水流量主要决定线圈的冷却时间间隔的长度,欧姆测试线圈的最长冷却时间间隔为5min。     

环形磁场金属等离子体源冷却流场的数值模拟与优化

环形磁场金属等离子体源作为一种全新的等离子体源结构,可用于产生高度离化、无大颗粒、高密度的离子束流,但传统流道结构不能保证其高效、均匀散热,大功率工作时可能引起密封胶圈的烧蚀失效,需对其冷却流场进行优化设计.利用Solidworks Flow Simulation软件对等离子体源冷却流道进行模拟,分析出入水孔分布角度、孔数、孔径以及入水孔高度对冷却效果的影响规律,并对流道结构参数进行优化.结果表明,增大水孔的周向分布范围,有利于提高散热的均匀性;入水孔设置在结构上层有利于减少冷却水的温度分层现象,使铜套和密封胶圈都处于较好的冷却状态;适当减小孔径有利于增大冷却水射流速度,增大湍流程度强化传热,提高换热效率.优化后的流场结构可以提高冷却水的利用率,在相同流量条件下获得更好的冷却效果,改善等离子体源的放电稳定性,为环形磁场金属等离子体源的冷却结构设计提供理论依据.     

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利用ANSYS/CFX对聚变堆氦冷多喷嘴冷却偏滤器模块在相同高热负荷条件但不同冷却条件下进行了有限元数值分析,得到了偏滤器冷却单元的温度和换热系数分布图,将该温度场作为结构力学分析的加载条件,利用ANSYS/Mechanical对冷却模块进行了稳态条件下的结构应力分析,得到了具有不同结构参数的偏滤器模块的应力分布.通过分析各结构参数对偏滤器模型的热应力的影响,对结构参数进行筛选,得到内应力相对较低的结构设计,从而优化多喷嘴氦冷偏滤器结构.     

多喷嘴氦冷偏滤器的优化与分析

利用ANSYS/CFX对聚变堆氦冷多喷嘴冷却偏滤器模块在相同高热负荷条件但不同冷却条件下进行了有限元数值分析,得到了偏滤器冷却单元的温度和换热系数分布图,将该温度场作为结构力学分析的加载条件,利用ANSYS/Mechanical对冷却模块进行了稳态条件下的结构应力分析,得到了具有不同结构参数的偏滤器模块的应力分布。通过分析各结构参数对偏滤器模型的热应力的影响,对结构参数进行筛选,得到内应力相对较低的结构设计,从而优化多喷嘴氦冷偏滤器结构。     

Jet Impingement Cooling of a Hot Moving Steel Plate: An Experimental Study

In the current study, a hot moving steel plate of 6 mm thickness with an initial temperature of 900°C has been considered for jet impingement cooling. The experiment has been designed with the help of Design of Expert software to optimize the process parameters based on the highest cooling rate. The various subsurface transient temperature histories have been measured during the cooling process. The surface heat flux and surface temperature were calculated with the help of a commercial inverse heat transfer solver called INTEMP. The experimental result has been presented in terms of cooling rate and critical heat flux.     

HL-2M装置常规偏滤器与雪花减偏滤器热工水力分析对比

采用SOLPS程序模拟预测HL-2M装置常规和雪花减偏滤器靶板上的热通量。当流入边缘等离子体区域的热功率约为10MW时,利用CFX/ANSYS软件分析这两类偏滤器各结构、冷却水温度分布及形变和热应力分布情况。结果表明:等离子体总功率相同,雪花减偏滤器靶板上的最高温度比常规偏滤器低169℃;雪花减偏滤器结构所承受的最大热应力和形变比常规偏滤器低约3/7。不改变热负载剖面分布,按一定比例提升热流密度或延长放电时间,雪花减偏滤器体现出比常规偏滤器靶板温升低、冷却水温均衡等优点。因此,雪花减偏滤器能处理更多流进偏滤器区域的热能,有效地降低偏滤器工程设计要求。     

Computation of leading edge film cooling from a CONSOLE geometry (CONverging Slot hOLE)

The aim of this study is to investigate the effect of mass flow rate on film cooling effectiveness and heat transfer over a gas turbine rotor blade with three staggered rows of shower-head holes which are inclined at 30° to the spanwise direction, and are normal to the streamwise direction on the blade. To improve film cooling effectiveness, the standard cylindrical holes, located on the leading edge region, are replaced with the converging slot holes (console). The ANSYS CFX has been used for this computational simulation. The turbulence is approximated by a k-ε model. Detailed film effectiveness distributions are presented for different mass flow rate. The numerical results are compared with experimental data.