發(fā)布時間：2017-10-18 03:23

  本文關鍵詞：微通道冷卻器內熱流固耦合過程的數(shù)值模擬

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【摘要】：激光介質熱效應已成為制約激光器輸出功率與性能進一步提高的嚴重障礙。一種新的、具有優(yōu)良冷卻效果的微通道冷卻系統(tǒng)應運而生。雖然國內外眾多學者對于微通道冷卻系統(tǒng)及激光介質的熱效應開展了相關研究,但是極少綜合考慮流場、溫度場與應力場耦合(即熱流固耦合)的影響。熱流固耦合力學是研究冷卻系統(tǒng)內流體與固體之間的流動與傳熱規(guī)律、流場和溫度場引起的固體變形、變形固體對流場和溫度場等影響規(guī)律的一門科學,已廣泛應用于固體熱力學等相關方面的研究,由此也產(chǎn)生了一系列的應用軟件。ANSYS Workbench是由ANSYS公司開發(fā)的一種協(xié)同仿真環(huán)境,在熱流固耦合研究方面有著廣泛的應用。本文以一種固體激光器用微通道雙面冷卻系統(tǒng)為研究對象,對固體激光器熱效應問題進行研究。首先以熱流固耦合力學為研究基礎,建立微通道冷卻系統(tǒng)的二維及三維物理模型,借助ANSYS Workbench進行熱流固耦合初步分析。結果發(fā)現(xiàn),研究工況下的固體約束面的邊緣應力最大,是容易出現(xiàn)熱疲勞的位置；研究條件下,熱變形對通道內流動的影響可以忽略,說明了本文采用單向熱流固耦合計算方法的可靠性。其次,對微通道冷卻器維度、雷諾數(shù)等模擬基礎條件的研究發(fā)現(xiàn)：二維和三維的模擬結果基本一致,用二維模擬可直接進行微通道結構及設計參數(shù)等影響分析；通過對微通道中不同雷諾數(shù)下的傳熱特性分析,得到流體最佳操作條件對應的雷諾數(shù)Re=3000；由動態(tài)模擬可知,液體穩(wěn)定溫度為最高溫度,并且達到穩(wěn)定溫度的穩(wěn)定時間隨著雷諾數(shù)的增加而減小。通過對熱源及冷卻介質等不同操作參數(shù)的分析,發(fā)現(xiàn)：不同的玻片生熱量下,流體最佳操作雷諾數(shù)一致,但生熱量越大,通道內最低壓力需求越高,且隨著雷諾數(shù)的增加,這種影響逐漸減�。徊煌鋮s介質,單通道總壓降及玻片的溫度分布結果差異明顯；不同熱源形式下,同一玻片的溫度分布差別很小。通過對玻片厚度及微通道寬度等不同結構參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)：綜合考慮玻片內部溫升與泵浦光的吸收,可適當增加玻片厚度；對于大寬高比下的微通道冷卻系統(tǒng)研究,可通過適當?shù)目s減寬度來簡化模型。另外,分析雷諾數(shù)及玻片生熱量對玻片的熱變形／應力的影響,得到：玻片的最大應力均出現(xiàn)在固定約束面的棱邊位置,其值隨雷諾數(shù)的增加而減小,而玻片的熱變形在不同的流動狀態(tài)下有不同的分布；隨著玻片生熱量的增加,玻片的最大應力及最大變形值基本呈線性增加。最后,考察了激光介質熱效應對光束質量的影響,發(fā)現(xiàn)熱變形引起的光程差占總光程差的比重較大,在分析熱效應對光束質量的影響時不可忽略。
【關鍵詞】：固體激光器 熱效應 熱流固耦合 微通道 ANSYS Workbench
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ021.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 文獻綜述11-26
• 1.1 固體激光器簡介11-13
• 1.2 固體激光器熱效應13-15
• 1.2.1 固體激光器熱效應概述13-15
• 1.2.2 固體激光器熱效應發(fā)展進程15
• 1.3 微通道冷卻器的熱效應研究現(xiàn)狀15-21
• 1.3.1 微通道冷卻系統(tǒng)研究現(xiàn)狀15-19
• 1.3.2 激光介質熱效應研究現(xiàn)狀19-21
• 1.4 微通道冷卻器熱流固耦合研究21-22
• 1.4.1 熱流固耦合簡介21-22
• 1.4.2 微通道冷卻器熱流固耦合分析22
• 1.5 ANSYS Workbench軟件簡介22-25
• 1.6 本文主要研究內容25-26
• 2 微通道冷卻器熱流固耦合模擬基礎26-36
• 2.1 流動傳熱基本方程26-29
• 2.1.1 流體控制方程26-29
• 2.1.2 傳熱控制方程29
• 2.1.3 耦合控制方程29
• 2.2 離散方法概述29-30
• 2.3 湍流模型及壁面函數(shù)選擇30-33
• 2.4 熱應力/變形問題有限元基礎33-34
• 2.5 模擬求解方法34-35
• 2.6 本章小結35-36
• 3 微通道冷卻系統(tǒng)熱流固耦合初步分析36-49
• 3.1 物理模型建立與模擬條件確定36-41
• 3.1.1 物理模型建立36-38
• 3.1.2 網(wǎng)格劃分38-39
• 3.1.3 模擬對象的物性參數(shù)確定39-40
• 3.1.4 邊界條件設置40-41
• 3.2 熱流固耦合初步分析結果與分析41-48
• 3.2.1 流場、溫度場及壓力場計算結果42-45
• 3.2.2 熱應力及熱變形計算結果45-48
• 3.3 本章小結48-49
• 4 微通道冷卻系統(tǒng)傳熱特性的影響因素分析49-65
• 4.1 模型驗證及基礎模擬條件確定49-54
• 4.1.1 模型驗證49-50
• 4.1.2 模擬雷諾數(shù)范圍的確定50-52
• 4.1.3 模擬維度的確定52-53
• 4.1.4 動態(tài)與穩(wěn)態(tài)模擬方法的確定53-54
• 4.2 熱源及冷卻介質對傳熱特性的影響分析54-61
• 4.2.1 玻片生熱量影響分析55-57
• 4.2.2 冷卻介質種類影響分析57-60
• 4.2.3 熱源形式影響分析60-61
• 4.3 玻片厚度及通道寬度對傳熱特性的影響分析61-64
• 4.3.1 玻片厚度影響分析62-63
• 4.3.2 通道寬度影響分析63-64
• 4.4 本章小結64-65
• 5 玻片熱變形及應力的數(shù)值模擬與光程差初步分析65-74
• 5.1 雷諾數(shù)及生熱量對玻片熱變形/應力的影響分析65-70
• 5.1.1 流動雷諾數(shù)影響分析65-68
• 5.1.2 玻片生熱量影響分析68-70
• 5.2 光程差的初步分析70-73
• 5.2.1 光程差計算理論基礎70-72
• 5.2.2 模擬結果與討論72-73
• 5.3 本章小結73-74
• 結論74-75
• 創(chuàng)新點與展望75-76
• 參考文獻76-81
• 附錄A 符號說明81-83
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表學術論文情況83-84
• 致謝84-85

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 賈春燕;王暢;劉萬發(fā);高艷安;公發(fā)全;劉通;;浸入式液冷固體激光器用冷卻液體的研究[J];現(xiàn)代化工;2015年10期

2 張釗;李林林;鄭樸;趙舉;;芯片水冷式微通道散熱器的優(yōu)化設計[J];制冷與空調;2015年05期

3 劉善超;劉洋;劉磊;王U，

本文編號：1052659