高熱流密度熱沉散熱能力數(shù)值仿真分析

楊 雪,呂坤鵬,唐曉軍,梁興波

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實驗室,北京 100015)

1 引 言

在高功率固體激光器中,增益介質(zhì)作為關(guān)鍵部件,在受到高功率泵浦光照射的情況下,其內(nèi)部會產(chǎn)生大量的熱,導(dǎo)致各種熱效應(yīng),使光束質(zhì)量下降,激光出光功率降低,更為嚴(yán)重的可能導(dǎo)致增益介質(zhì)炸裂[1-4]。近年來,板條固體激光器迅猛發(fā)展,然而,板條熱效應(yīng)成為制約其發(fā)展的一個重要因素,對其進(jìn)行有效地冷卻才能保證固體激光器的正常運(yùn)行。本文的研究對象為板條晶體散熱熱沉,為了消除板條熱效應(yīng),采用微通道熱沉進(jìn)行散熱,將熱沉焊接在板條兩個側(cè)面,以提高散熱效率。

國內(nèi)外學(xué)者對熱沉微通道的研究主要專注于微通道結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀等的優(yōu)化設(shè)計[5-11]。Husain A[5]等人對微通道內(nèi)流體的流動特性進(jìn)行研究,提出了改變微通道的深寬比有助于提高散熱能力。劉剛[6]等人對疊片式微通道進(jìn)行數(shù)值仿真,提出了減小微通道的特征尺寸,可以降低熱阻。雖然國內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值仿真和實驗對微通道熱沉散熱得出一些結(jié)論,但是由于熱沉結(jié)構(gòu)和尺寸存在差異,可比性較差,并且考慮因素單一。本文不僅僅針對熱沉材料不同的幾何參數(shù),包括熱沉基底厚度、肋片高度、肋片寬度、肋片間距,建立了理論模型,還對優(yōu)化后的熱沉結(jié)構(gòu)施加不同的外部流量條件,借助數(shù)值仿真方法分析了該微通道熱沉的散熱效果。

2 微通道熱沉結(jié)構(gòu)模型的建立與基本理論

2.1 模型建立

常規(guī)板條晶體熱沉如圖1所示,冷卻水采用單向方式流入微通道熱沉。本文研究的重點(diǎn)是熱沉微通道部分,由于熱沉內(nèi)部微通道數(shù)量較多,若建立完整的物理模型進(jìn)行計算對計算機(jī)的計算資源要求較高且耗費(fèi)時間較長,因此對模型進(jìn)行了合理的簡化,選取一個微通道和其相鄰肋片的一半寬度來建立計算模型,并保證模型的厚度以及沿冷卻水流動方向的長度與實際模型一致,如圖2所示,微通道的基準(zhǔn)尺寸為基底厚4 mm,肋片高4 mm,肋片寬0.4 mm,肋片間距0.4 mm,微通道長28 mm。

圖1 常規(guī)熱沉

圖2 簡化計算模型

2.2 基本理論

假設(shè)微通道內(nèi)的冷卻介質(zhì)為不可壓縮流體,沿著z方向流動,在x、y方向上的速度分量為0,在z方向上的速度分量為w。數(shù)值計算的控制方程如下:

質(zhì)量守恒方程:

動量守恒方程:

能量守恒方程:

式中,ρ為流體的密度；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù);ST為流體內(nèi)熱源[12]。

3 熱沉微通道幾何參數(shù)對換熱影響分析

3.1 邊界條件

本文利用ANSYS FLUENT對單個微通道進(jìn)行數(shù)值仿真模擬,計算模型兩側(cè)取對稱邊界條件,熱沉材料為紫銅,冷卻介質(zhì)為去離子水,熱沉水流量為20 L/min,溫度為296.15 K,設(shè)定板條晶體均勻發(fā)熱,板條和熱沉表面微通道部分的熱流密度為115 W/cm2。

在熱沉微通道中,雷諾數(shù)為:

式中,ρ、uin、Dh、η分別為流體的密度、微通道入口處流速、當(dāng)量直徑和流體的動力黏度[1]。

本文研究對象雷諾數(shù)在330～904之間,小于2000,故微通道中水流為層流。

3.2 熱沉微通道幾何參數(shù)對換熱影響分析

熱阻[6]R作為衡量散熱性能的重要指標(biāo),具體表達(dá)式為:

式中,Tmax為熱沉表面最高溫度；Tin為冷卻介質(zhì)的進(jìn)口溫度;Q為晶體板條的發(fā)熱量。

本文研究對象Tin和Q都為常數(shù),故熱阻R與Tmax成正比關(guān)系。

3.2.1 熱沉基底厚度對換熱效果的影響

采用上述基準(zhǔn)尺寸,只改變微通道厚度值,其他的參數(shù)設(shè)定不變,仿真出在不同微通道基底厚的情況下,熱沉表面的最高溫度,計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 基底厚底與Tmax關(guān)系曲線

由圖可得,熱沉基底越厚,Tmax越高,上升趨勢一致,即R越大,熱沉散熱能力越差。板條晶體在吸收泵浦光發(fā)熱后,先通過銅基底將熱量導(dǎo)出,再經(jīng)過去離子水進(jìn)行強(qiáng)制對流換熱,基底越厚,導(dǎo)致不能很好地將熱量散出去,造成熱沉整體溫度偏高,影響散熱效果,考慮到以后熱沉返修及變形問題,基底不能太薄,基底厚度選2～3 mm為宜。

3.2.2 肋片高度對換熱效果的影響

采用上述基準(zhǔn)尺寸,只改變微通道肋片高度值,其他的參數(shù)設(shè)定不變,仿真出在不同微通道肋片高的情況下,熱沉表面的最高溫度,計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 肋片高與Tmax關(guān)系曲線

由圖可得,微通道肋片高度的越大,Tmax越低,并呈指數(shù)下降趨勢,即R減小,熱沉散熱能力提高。微通道高度增加,增大了對流換熱面積,散熱效果增強(qiáng),然而隨著肋片高度的增加,熱沉散熱增強(qiáng)效果的幅度減小,肋片高度從4 mm增加到5 mm,Tmax降低了2.09 K,R變化較小,肋片高度選取3～4 mm為宜。

3.2.3 肋片寬度對換熱效果的影響

采用上述基準(zhǔn)尺寸,只改變微通道肋片寬度值,其他的參數(shù)設(shè)定不變,仿真出在不同微通道肋片寬的情況下,熱沉表面的最高溫度,計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 肋片寬與Tmax關(guān)系曲線

由圖可得,肋片寬度越大,Tmax越高,并呈指數(shù)上升趨勢,即R增大,熱沉散熱能力減小。熱沉大小一定的情況下,增大肋片寬度,減小了整體對流換熱面積,散熱效果減弱。但是,相比較其他參數(shù),肋片寬度從0.2 mm增加到0.6 mm,Tmax升高5.31 K,R變化稍小,熱沉散熱效果減弱的幅度較小,肋片寬度選取0.2～0.4 mm為宜。

3.2.4 肋片間距對換熱效果的影響

采用上述基準(zhǔn)尺寸,只改變微通道肋片間距值,其他的參數(shù)設(shè)定不變,仿真出在不同微通道肋片間距的情況下,熱沉表面的最高溫度,計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 肋片間距與Tmax關(guān)系曲線

由圖可得,肋片間距越大,Tmax越高,上升趨勢一致,R增大,散熱能力變差。在熱沉大小一定的情況下,增大肋片間距,單個微通道的對流換熱面積增大,但是,隨著肋片間距的增加,微通道個數(shù)減少,整體的對流換熱面積也在減小,散熱效果也相應(yīng)地減弱,肋片間距選取0.2～0.3 mm為宜。

3.2.5 優(yōu)化熱沉幾何參數(shù)對換熱效果的影響

根據(jù)以上分析結(jié)果,增大微通道的對流換熱面積,即增大肋片高度,減小肋片寬度,減小肋片間距,可以提高微通道的散熱能力,故選取微通道各參數(shù)的最優(yōu)值,熱沉基底厚2 mm、肋片高4 mm、肋片寬0.2 mm和肋片間距0.2 mm,對此模型再次進(jìn)行數(shù)值仿真模擬,熱沉表面溫度分布如圖7所示。

由圖可得,在相同的邊界條件下,Tmax為317.79 K,R減小,散熱效果明顯提升。此外,沿著冷卻介質(zhì)的流動方向,溫度相差5 K,這樣會導(dǎo)致激光增益介質(zhì)表面溫度分布不均勻。

圖7 熱沉表面溫度分布圖

3.2.6 冷卻水流量對換熱效果的影響

對上述優(yōu)化模型還進(jìn)行了進(jìn)一步的數(shù)值仿真,其他邊界條件不變,入口流量分別設(shè)定為10 L/min、15 L/min、20 L/min、25 L/min、30 L/min,數(shù)值計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同入口流量下的仿真結(jié)果

由上表可知,隨著冷卻水流量的增加,Tmax減小,當(dāng)增大到一定值時,Tmax變化并不明顯,壓力損失變大。綜合上述分析,對于這種優(yōu)化的熱沉結(jié)構(gòu)模型,流量選取20～25 L/min時,散熱效果更佳。

4 結(jié) 論

本文從實際應(yīng)用角度出發(fā),通過對影響板條晶體熱沉散熱能力的幾個參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬,包括熱沉基底厚度、肋片高、肋片寬和肋片間距,通過對實驗結(jié)果的分析確定合適的熱沉幾何參數(shù),本著增大微通道對流換熱面積的理念,選取最優(yōu)值進(jìn)行驗證,可以得出優(yōu)化后的熱沉結(jié)構(gòu)在散熱性能上有著顯著的提升。此外,通過增加熱沉的流量來提升熱沉散熱性能,在一定范圍內(nèi)是比較有效的,超過一定范圍后就不那么顯著了,而相應(yīng)的壓力損失嚴(yán)重,所以選取適宜的流量有助于實現(xiàn)較好的散熱效果。本文為熱沉的設(shè)計提供了很好的理論基礎(chǔ)。

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