計算流體力學在CO2激光器換熱器設計中的應用

王文進，王又青，趙 恒，胡 逸，趙 江

(華中科技大學光學與電子信息學院，武漢430074)

引 言

由于激光加工技術相對于傳統加工工藝具有無法比擬的優勢，所以在工業加工中得到了廣泛的應用。為了滿足工業加工要求的進一步提升，激光器就要向更高功率、長時間穩定運行的方向發展［1-2］。高功率工業激光器結構復雜、價格昂貴，這在一定程度上限制了它的推廣和應用。目前CO2激光器在技術和價格上都占有優勢，是工業高功率激光光源的最佳選擇。本課題旨在為軸快流CO2激光器氣體循環系統熱交換部件的設計提供一種高效的方法。

目前，軸快流CO2激光器的轉化效率可以達到25%左右，也就是說有75%的電能轉化為氣體的熱能，工作氣體通過放電區后溫度會升高150K左右。氣體溫度的升高會導致激光器放電不穩定和輸出功率的下降。所以，需要熱交換系統把放電產生的廢熱帶走，以保證工作氣體在進入放電區域時保持常溫狀態［3-4］。

作者針對傳統軸快流CO2激光器熱交換設計采用的經驗公式法計算繁瑣、靈活性低、需要較多的工程經驗等缺點［5］，提出使用流體動力學方法設計軸快流CO2激光器的換熱器的方案，并設計了管布結構的4kW軸快流CO2激光器換熱器，其能滿足激光器連續穩定運行的要求。

1 激光器換熱器的設計要求

Fig.1 Gas circulation diagram of the laser system

4kW軸快流CO2激光器的流道結構如圖1所示。工作氣體是由摩爾比為r(CO2)∶r(N2)∶r(He)=5∶29∶66的混合氣體，工作壓強為10.4kPa。工作氣體由風機經副換熱器進入放電管，經過放電的高溫氣體再由主換熱器進入風機。工作氣體在風機中流動時會和葉輪產生摩擦并且體積被壓縮，在這個過程中會產生附加熱量。工作氣體放電過程中產生的熱量和這些附加熱量相比要大得多，所以本文中以主換熱器為例，介紹計算流體動力學方法在軸快流CO2激光器換熱器設計中的應用。

軸快流CO2激光器熱平衡方程為［6-7］:

式中，P1為工作氣體放電后產生的熱量，P2為注入電功率，P3為激光輸出功率，P3=P2η，η為激光器的電光效率。為了使設計的換熱器留有余量，η取值為20%。文中的激光器選用 Leybold公司的S3500風機，體積流量可達 4000m3/h。298K，10.4kPa時混合氣體的密度ρ=0.049kg/m3，計算得氣體的質量流量M=0.0545kg/s，工作氣體的定壓比熱容cp=1949kJ/(kg·K)。4kW軸快流激光器按照20%的電光效率來計算，工作氣體經過放電區域后會產生16kW的熱量，氣體溫度的上升值為ΔT=150.3K。4kW軸快流CO2激光器中有兩個對稱的主換熱器，所以設計的每一臺主換熱器的換熱量需要達到8kW左右。

根據軸快流CO2激光器換熱器結構緊湊、換熱效率高、氣體流阻小的要求，4kW軸快流CO2激光器選用的是矩形翅片管式換熱器，如圖2所示。

Fig.2 Finned-tube refrigeration heat exchanger

矩形翅片管式換熱器的氣體阻力計算的經驗公式為［8］:

式中，n是指氣流方向上的管排數，f是摩擦系數，Gmax是最小截面的質量流速。當換熱器氣體流阻大時會加重風機的負荷，不利于激光器長時間穩定運行。所以換熱器的氣體流阻必須盡量小。

2 換熱器的設計與數值模擬

2．1 換熱器模型與邊界條件

估算換熱面積，5×5管排布置的84片190mm×190mm矩形翅片管能滿足4kW軸快流CO2激光器換熱器的換熱需求，幾何模型如圖3所示。

Fig.3 Geometric model of heat exchanger

為了簡化計算，模型被虛線分割為3個部分，只將虛線內部的區域作為模擬計算區域，將它的兩個切割面設定為對稱邊界。對于翅片使用周期性邊界條件，只建立兩片翅片之間的區域作為流體的計算區域，將上、下表面設置為周期性邊界條件，進出口均采用壓力條件。初始條件和邊界條件需要用到的物性參量如表1所示。

Table 1 Physical parameters used for numerical calculation［8-9］

2．2 熱交換過程與流場分析

因為5×5的管布結構不嚴格對稱，所以計算出的換熱量會略小于實際值，但是對內部流場分布(如圖4所示)的影響不大。

Fig.4 Flow field distribution inside the heat exchanger with 5×5 tube arrangementa—pressure distribution b—temperature distribution

由壓強分布云圖(見圖4a)可以看出，從換熱器進口到出口，壓強呈平滑分層波紋狀且遞次減小，在進口和出口處壓降較大，經過每一排換熱管時壓強產生較大的變化，在橫向方向上，也就是垂直于氣體流動方向上，壓強變化不明顯?？梢姡瑩Q熱管排數越多，壓降越大;換熱管列數，對換熱器的流道阻力影響不大;這與計算換熱器流阻的經驗公式(2)式是一致的。

由溫度云圖(見圖4b)只能看出，翅片表面的溫度變化呈分層變化、均勻遞減的趨勢。選取換熱器中心線為分析對象如圖5所示。從圖中可以看出工作氣體進口溫度為446K，沿著中心線方向上，溫度呈遞減趨勢。當工作氣體繞流過圓管時會產生繞流脫體現象，因此此處的溫度變化趨勢呈現一個小階梯;然后，溫度分布又呈平滑下降趨勢。由換熱器中心溫度曲線可見，第2段溫度下降比較明顯，而第5段溫度幾乎沒有變化，說明在第5段時工作氣體的溫度與冷卻水達到了平衡，兩者之間沒有熱量的交換［10］。

Fig.5 Temperature curve at centerline of heat exchanger with 5×5 tube arrangement

2．3 優化設計

由以上分析可知，換熱器的最后一排水管沒有起到換熱的作用，并且增大了換熱設備的氣體流阻。所以可以移去最后一排銅管以提高換熱效率，降低氣體流阻;在垂直氣流方向上增加一列銅管以保證換熱器的換熱量，將換熱器優化為4×6的管排布置、228mm×152mm矩形翅片結構。優化后的換熱器結構的流場分布與中心線上的溫度變化曲線如圖6所示。

Fig.6 Flow field and temperature curve at centerline of heat exchanger with 4×6 tube arrangementa—pressure distribution b—temperature curve at centerline of heat exchanger

從圖6可以看出，優化后的結構的出口壓強相較于之前管布結構(見圖4a)要大100Pa左右，優化后換熱器中心線處的溫度分布曲線有4個明顯的階梯狀分布，并且均有比較明顯的溫度變化。由于前排管使氣體產生了擾動增強了氣體分子的無規則運動，提高了換熱效率，所以第2段和第3段的溫差要略大于第1段。出口處由于氣體溫度與換熱管內水溫逐漸達到平衡，因此溫差較小。這說明改進后的換熱器結構壓力損失減小并且冷卻水管得到了充分的利用換熱效率得到提高。所以在4kW軸快流CO2激光器設計選擇此方案作為換熱設備。

2．4 經驗公式結果對比與實驗驗證

由經驗公式可計算出換熱器銅管、矩形翅片的換熱系數，得到換熱器的整體換熱系數，然后根據換熱器面積和具體管布結構計算出換熱器的換熱量和氣體流阻［11］。由計算流體力學軟件的報告功能可以得到進口和出口的壓強值、流阻以及熱負荷分別為 10394.523Pa，10240Pa，154.523Pa，8888.53W。由經驗公式法算出的換熱器流阻和熱負荷分別為154Pa，8915.2W。由上面的數據可知，計算流體力學軟件模擬出的結果與經驗公式計算出的結果非常吻合。將通過計算流體動力學法設計出的換熱器安裝至4kW軸快流CO2激光器，連續運行48h后激光器各項參量如圖7所示。

Fig.7 Operation monitoring interface of CP4000 laser used heat exchanger with 4×6 tube arrangement

由以上分析可知，計算流體動力學法是一種準確、高效的設計軸快流CO2激光器換熱設備的新方法。

3 小結

使用計算流體動力學法可以得到軸快流CO2激光器熱交換設備內部流場的詳細分布，通過分析溫度場、壓力場的分布情況可以對換熱設備的結構進行靈活的調整，以滿足激光器的工作需求。計算流體動力學法同樣適用于其它采用冷熱對流熱交換的氣體激光器，在今后的熱交換器設計中只要根據氣體配比、換熱量需求就可以根據此方法對換熱器進行設計。

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