微通道冷卻器內(nèi)流固耦合傳熱過程的數(shù)值模擬.pdf

1、固體激光器內(nèi)廢熱積累所引起的熱效應是阻礙激光器輸出功率進一步提高的關(guān)鍵問題。微通道冷卻器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、換熱效率高等優(yōu)點，能夠有效帶走激光器內(nèi)積累的廢熱，同時也有助于實現(xiàn)激光器的小型化。因而微通道冷卻器已成為目前激光器冷卻技術(shù)的研究熱點之一。然而，由于微通道尺度的細微化，實驗條件或?qū)嶒灢僮鞯募毿〔顒e也會引起實驗結(jié)果的多樣性，使得目前關(guān)于微通道內(nèi)流動及傳熱特性的研究尚未形成一致結(jié)論。
　　計算流體力學(Computationa

2、l Fluid Dynamics，CFD)是一種基于離散化的數(shù)值計算方法，它借助計算機實現(xiàn)工程問題的建模和計算，由此可以避免實驗研究中的某些困難，從而為微尺度下流體流動及傳熱特性的研究以及微器件的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。
　　本文先以文獻中常見的常規(guī)微通道和帶收縮段的微通道為研究對象，以計算流體力學為研究基礎(chǔ)，建立對應的二維流動模型，借助計算流體力學軟件FLUENT對整個層流至湍流雷諾數(shù)范圍進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)收縮段的考慮與否是導致模

3、擬結(jié)果與實驗結(jié)果存在差距的重要原因。在此基礎(chǔ)上，對收縮段結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了考察，發(fā)現(xiàn)收縮比的大小對轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)具有重要影響，確定轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)的極大值為3000。同時，研究還發(fā)現(xiàn)多級收縮段串聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠使流形更加平穩(wěn)，在總收縮比Sn=4的時候即可使轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)穩(wěn)定在最大值3000附近。以上研究為實驗室固體激光微通道冷卻器的建模和模擬奠定了基礎(chǔ)。
　　隨后，本文以實驗室建立的固體激光微通道冷卻器為研究對象，建立了微通道冷卻器流動及傳熱的耦合模型，

4、借助FLUENT軟件對其進行模擬研究，并與文獻中實驗結(jié)果進行對比，驗證了模型的準確性。在此基礎(chǔ)上，就溫度引起的物性變化對模擬結(jié)果的影響進行了考察，結(jié)果表明:溫度引起的物性變化僅對層流階段的流動特性有著較為顯著的影響，但對于轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)值大小并無影響;同時，由于冷卻水整體溫度變化較小，溫度物性關(guān)系式對于傳熱特性的影響較弱，因而可忽略溫度變化對物性的影響，將其視為常物性進行模擬計算。通過對不同尺寸的微通道進行對比研究，結(jié)果表明:同一雷諾數(shù)下，