不锈钢板式热沉传热特性的实验与模拟研究.pdf
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1、 装 备 环 境 工 程 第 21 卷 第 1 期 52 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 2024 年 1 月 收稿日期:2023-10-07;修订日期:2023-11-15 Received:2023-10-07;Revised:2023-11-15 引文格式:尹大勇,龚洁,周盈,等.不锈钢板式热沉传热特性的实验与模拟研究J.装备环境工程,2024,21(1):52-58.YIN Dayong,GONG Jie,ZHOU Ying,et al.Experiment and Simulation Research on Heat Transfer Per
2、formance of Stainless Steel Plate Heat SinkJ.Equipment Environmental Engineering,2024,21(1):52-58.*通信作者(Corresponding author)不锈钢板式热沉传热特性的实验与模拟研究 尹大勇,龚洁*,周盈,杨雪,金玮安(北京卫星环境工程研究所,北京 100094)摘要:目的目的 研究流量、胀高及焊点排布方式对不锈钢板式热沉传热特性的影响。方法方法 搭建实验平台,加工出结构参数不同的板式热沉实验件,同时采用静力隐式算法建立相应的几何模型,通过实验与数值模拟相结合的方法,研究流量、胀高和焊点排
3、布方式的变化对板式热沉热阻的影响规律,并分析热沉流道内部流场状态。结果结果 首先计算了 6 个工况下的热阻,发现实际换热量为 540 W 时,数值模拟与实验结果的最大相对误差不大于 25%。然后分析了误差来源,最后得到了热沉全流道速度场与温度场的分布情况。结论结论 实验与模拟结果有较好的符合程度,证明了数值模拟方法的可靠性。在换热量相同时,板式热沉的热阻随流量与胀高的增大而减小,焊点为菱形排布的热沉传热性能相对更好。板式热沉内部的流场具有周期性,焊点使流体扰动增强,并形成射流和旋涡,起到了强化传热的效果。关键词:板式热沉;传热特性;数值模拟;静力隐式算法;热阻 中图分类号:TJ04 文献标志码
4、:A 文章编号:1672-9242(2024)01-0052-07 DOI:10.7643/issn.1672-9242.2024.01.007 Experiment and Simulation Research on Heat Transfer Performance of Stainless Steel Plate Heat Sink YIN Dayong,GONG Jie*,ZHOU Ying,YANG Xue,JIN Weian(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering,Beijing 100094,China)A
5、BSTRACT:The work aims to study the effect of flow,bulge height and solder joint arrangement on the heat transfer per-formance of the stainless steel plate heat sink.The experimental platform was established,and the plate heat sinks with different structural parameters were processed as the experimen
6、tal specimens.Meanwhile,the corresponding geometric models were es-tablished by static implicit algorithm.Through the combination of experiment and numerical simulation,the effect rule of flow,bulge height and solder joint arrangement on thermal resistance of the plate heat sink was studied,and the
7、internal flow field state of the heat sink was analyzed.Firstly,the thermal resistance under 6 working conditions was calculated.When the actual heat exchange was 540 W,the maximum relative error between the numerical simulation and the experimental results was not more than 25%.Then,the source of t
8、he error was analyzed.Finally,the distribution of velocity field and temperature field of the heat sink flow path was obtained.The experiment and simulation results have a good degree of compliance,which proves the reliability of the numerical simulation method.The thermal resistance of the plate he
9、at sink decreases with the increase of the flow and bulge height when the heat exchange is the same,while the heat transfer performance under the solder joint arrange-第 21 卷 第 1 期 尹大勇,等:不锈钢板式热沉传热特性的实验与模拟研究 53 ment with rhombic form is relatively better.The internal flow field of the plate heat sink
10、is periodic,and the solder joints en-hance the fluid disturbance and generate jets and eddies,which has the effect of strengthening heat transfer.KEY WORDS:plate heat sink;heat transfer performance;numerical simulation;static implicit algorithm;thermal resistance 作为空间环境模拟设备的核心部件,热沉被用于模拟空间深冷环境,其传热性能的
11、优劣对地面环境模拟试验效果的影响极大1-2。以不锈钢板焊接胀形而成的板式热沉具有生产周期短、换热面积大、温度均匀性高等优点,已在国内外得到越来越广泛的应用3-5。现有关于不锈钢板式热沉传热性能的研究主要通过数值模拟的方法实现,而鲜有相关的实验研究。单巍巍等6以液氮为工质,分析了其在板式热沉与传统管板式热沉中的传热效果,发现板式热沉的换热效率及温度均匀性都要更好。张磊等7-8研究发现,升高流速可以使板式热沉的温度均匀性提升,且同等条件下板式热沉的表面温度比管板式热沉低 5 K 左右。张蕊等9对板式热沉的热性能指标开展了研究,发现其壁面温度均匀性随气氮质量流量的增大而提高。魏龙涛等10针对不锈钢-
12、气氮板式热沉进出口压力损失和壁面温度分布进行了模拟,发现增大入口速度与氮气压力可以提高热沉的温度均匀性,与此同时,进出 口压力损失也会增加。冯宁等11通过数值模拟发现,当入口氮气流量相同时,板式热沉的降温速率远大于鱼骨式热沉,且前者的载冷剂消耗量及消耗用时都相对更少。本文通过加工出不锈钢板式热沉实验件,并使用静力隐式算法建立相应的几何模型,研究了胀高及焊点排布方式不同的板式热沉传热性能。同时,对热沉流道内部的流场状态作了分析,验证了数值模拟方法的可靠性。得到的实验与仿真结果可为板式热沉的设计和应用提供进一步参考。1 实验 1.1 流程与装置 本实验的装置主要包括板式热沉实验件、加热装置、冷却装
13、置及数据测量与采集设备共 4 部分,实验系统流程如图 1 所示。图 1 实验系统 Fig.1 Experimental system 1)板式热沉实验件。实验使用的 6 套板式热沉实验件是由 2 块不锈钢板经点焊后加压鼓胀成形的,其胀高和焊点排布方式各不相同,如图 2 和表 1 所示。热沉长 900 mm,宽 400 mm(不包括进出口管路及焊边);上壁面板厚 1.2 mm,表面喷涂吸收率为 0.9 的黑漆;下壁面板厚 2.5 mm,不做喷漆处理;焊点共11 排,焊点间距为 75 mm,焊点直径为 14 mm;为使流体在热沉内的流动尽量均匀,在其进出口分别布置了 6 路平行管路。实验时,热沉为
14、水平姿态放置。2)加热装置。在热沉实验件上壁面中心预留面积约 300 mm 300 mm 的裸露区域作为局部加热面,其余部分均包覆“铝箔-保温棉-铝箔”多层复合材料(如图 3 所示),在保温的同时还能减少自然对流及红外线辐射泄漏的影响。加热通过 4 根红外线石英灯 54 装 备 环 境 工 程 2024 年 1 月 a 矩形排布 b 菱形排布 图 2 不锈钢板式热沉实验件 Fig.2 Experimental specimen of the stainless steel plate heat sink:a)rectangular arrangement;b)rhombic arrangeme
15、nt 表 1 板式热沉的结构参数 Tab.1 Structural parameters of the plate heat sink 焊点排布方式 胀高/mm 4 7 矩形 10 4 7 菱形 10 图 3 加热面及保温措施 Fig.3 Heating surface and thermal insulation measures (如图 4 所示)实现,灯管距离热沉的最小距离约5 cm。经过测试,石英灯的总加热功率为 0963 W 连续可调,而最终只有约 49.4%的加热功率转化为热沉实际吸收的热量。3)冷却装置。受制于实验条件,板式热沉实验件的冷却由冷却水循环机实现,水温控制精度为 1。
16、循环水的体积流量分别为 1.2、2.0、3.5 L/min。图 4 红外线石英灯 Fig.4 Infrared quartz lamp 热沉进口水温控制在 20,环境温度控制在 25 左右。4)数据测量与采集设备。水流量通过高可靠性和准确度的涡轮流量计测量,通过调整旁通回路的流通面积可以控制流量,这种方法具有调节精度高、对增压泵的损坏小等优点。热沉表面温度通过 T 形热电偶测量,其测温范围200350,测量精度为0.5,实验时在每套热沉的加热面上各均匀布置 12 个。此外,还有 2 个热电偶分别粘贴于热沉进出口管道外壁,以监测进出口水温,所有热电偶均用带铝箔的保温棉进行覆盖保护。实验数据通过计
17、算机搭配安捷伦34970A 型数采仪进行采集。1.2 数据处理 热沉的本质是一种换热器12,而热阻则是衡量换热器性能的重要参数,其定义为:wfttRQ (1)其中:12ww,1112iitt (2)f1f2f2ttt (3)式中:R 为热阻,/W;Q 为实际换热量,W;wt为热沉加热面的平均温度,;ft为流体定性温度,;tf1和 tf2分别为热沉进、出口的流体温度,。对于红外线石英灯,其消耗的电功率一部分通过自然对流散失到空气中,另一部分将辐射到周围物体上,并产生加热作用。由于存在辐射泄露,因此不能通过直接测量石英灯的辐射热流来计算热流密度。实验过程中,热沉的实际换热量 Q 可通过测量进出口水
18、温的变化算得:0p0f2f1QVctt (4)式中:0为流体在定性温度下的密度,kg/m3;V为体积流量,m3/s;cp0为流体在定性温度下的比热容,J/(kg)。第 21 卷 第 1 期 尹大勇,等:不锈钢板式热沉传热特性的实验与模拟研究 55 2 数值模拟方法 2.1 数学模型 任何流体的流动都要满足物理守恒定律,所遵循的控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程13。质量守恒方程:div()0tu (5)式中:为流体密度,kg/m3;t 为时间,s;u 为速度矢量,m/s。动量守恒方程:divdivdivdivdivdivuvwpStxpStypStz gradgradgra
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