畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）高精度控溫恒溫桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真優(yōu)化

1、高精度控溫恒溫桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真優(yōu)化摘要：本文對(duì)高精度控溫恒溫桶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬的研究，為得到更高精度的控溫效果，對(duì)基本 結(jié)構(gòu)恒溫桶進(jìn)行了一系列的優(yōu)化測(cè)試。數(shù)值模擬采用的恒溫桶桶徑為100 mm,桶高為150 mm,恒溫 桶作為激光冷卻系統(tǒng)中測(cè)溫部分的重要組成，出口溫度應(yīng)控制在20±0.1 °co通過對(duì)基本結(jié)構(gòu)恒溫桶 表面溫度分布云圖以及內(nèi)部流域流線圖的分析，木文發(fā)現(xiàn)英在控溫精度上無法達(dá)到要求，因此采取在 其內(nèi)部加入不同的擾流結(jié)構(gòu)促進(jìn)出口表面溫度分布的均勻性。結(jié)果表明，桶內(nèi)加兩層折流板的恒溫桶 控溫精度可以達(dá)到0.0464 °c,精度最高。關(guān)鍵詞：激光冷卻；高精

2、度控溫；恒溫桶；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；數(shù)值模擬0前言大功率半導(dǎo)體激光器因體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)逐漸成為現(xiàn)代光電 子器件領(lǐng)域最為重要的核心器件之一，在激光顯示等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用山。但是激 光器應(yīng)用過程川的控溫問題亟待解決，在實(shí)際使用中若不能精確控制其溫度，紅綠藍(lán) 三基色在額定功率下的合成將偏離設(shè)定的口平衡，嚴(yán)重偏離時(shí)會(huì)岀現(xiàn)顏色偏差和顏色混 亂等現(xiàn)象，最終影響到顯示效果。因此，精確控制半導(dǎo)體激光器的工作溫度，對(duì)提高激 光器的輸出穩(wěn)定性，充分利用其優(yōu)勢(shì)拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。日前對(duì)激光器的控溫研究較少，文獻(xiàn)也大都針對(duì)熱電制冷(tec)冷卻方式，在較 小的散熱功率下通過pid控制方法實(shí)現(xiàn)溫控參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在

3、040 °c范圍內(nèi)穩(wěn)態(tài)誤 差較小，但是受限于tec自身較低的制冷功率和效率，且tec并聯(lián)方式無法與激光器 匹配，顯然無法在大功率激光器中應(yīng)用。2010-2013年，美國學(xué)者john vetrovec通過使用電磁泵驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬的環(huán)路圓管 給高功率激光器散熱，可以改變液態(tài)金屬的流速使得控溫精度達(dá)到±1 °c。2014年, 南京理工大學(xué)李強(qiáng)、宣益民使用新型制冷劑r134a代替水給加熱表面進(jìn)行噴霧冷卻實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)屮配合使用一個(gè)內(nèi)置有浸沒式加熱絲的儲(chǔ)液罐獨(dú)立式的冷卻器保證噴霧入口水溫 的恒定，但是本文沒有對(duì)控溫精度提出要求切。2015年，波蘭學(xué)者a. kozlowska使用

4、 內(nèi)部含有微型玻璃圓管的微通道裝置給激光器散熱，入口處的tec水冷器保證入口水 溫的恒定為27 °c,控溫精度為±0.3 °cc101o針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了具有高精度控溫能力的恒溫桶，分析了在恒溫桶內(nèi)部添加不同擾流結(jié)構(gòu)時(shí)出口表而溫度分布的均勻性，并將基木結(jié)構(gòu)恒溫桶岀口表面最高和最 低溫差與其他七種結(jié)構(gòu)的結(jié)果做出對(duì)比，找出控溫精度高的結(jié)構(gòu)形式。1物理模型為了使得激光器入口水溫波動(dòng)小，本文設(shè)計(jì)了基本類型的恒溫桶結(jié)構(gòu)，此外為了進(jìn) 一步增強(qiáng)恒溫桶出口表面溫度的一致性，在基本類型恒溫桶中分別添加折流板、帶網(wǎng)眼 的篩孔等結(jié)構(gòu)，探索能夠使得出口表面溫度均勻性最好的恒溫桶結(jié)構(gòu)

5、。基本類型的恒溫桶結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)包括薄壁圓筒：圓筒外徑100 mm, 桶高150 mm；內(nèi)部螺旋盤管為制冷系統(tǒng)冷凝器部分，冷凝管外壁厚0.5 mm,冷凝器與 其他制冷系統(tǒng)通過薄壁圓管連接；圓筒側(cè)面布置有出入水孔，位于下方的是恒溫桶的入 水孔，入水孔與激光器熱沉流道入口相連提供冷卻水，位于上方的恒溫桶的出水孔，出 水孔與激光器熱沉流道出口相連。圖1以下是在基本類型恒溫桶內(nèi)部加不同結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是一層折流板的結(jié)構(gòu)圖;圖3是兩層折流板的結(jié)構(gòu)圖；圖4是加二層折流板的不意圖。圖2圖3圖4以下是內(nèi)部加帶網(wǎng)眼篩孔結(jié)構(gòu)的示意圖。圖5是26孔的恒溫桶；圖6是56孔的恒溫桶；圖7是103孔的恒溫桶

6、；圖8是56孔篩板與折流板組合結(jié)構(gòu)的恒溫桶。圖5圖7圖6圖8表i材料的物理屬性結(jié)構(gòu)材料k (w/(m k)c (j/(kg k)p (kg/m3) (pa s)水流通道h2o0.599420010000.0012數(shù)值計(jì)算2.1數(shù)學(xué)模型為了使得模型簡(jiǎn)化，數(shù)值模擬屮需要做出如下假設(shè)：（1）穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)；（2）流道內(nèi) 水流流動(dòng)狀態(tài)為層流；（3）流體和固體的材料均是理想的，它們的物性不會(huì)隨著溫度的 改變而改變；（4）冷卻介質(zhì)是不可圧縮的；（5）因熱沉與周圍環(huán)境溫差小，不考慮輻射 換熱；（6）其他界面為絕熱邊界。連續(xù)性方程：(1)（）u dv dw 八在這里u, v, w分別是x, y, z方向上的速度。

7、動(dòng)量方程:（2）在公式中,“和州分別是流體的密度和速度，"是壓力，i代表兀，y, z方向。能量方程：（3）陽（匹+理+止9詁（卑+沒+變）13y1 3x23y2在本式中，久是流體的溫度，°】是流體的比熱，甬是流體的熱導(dǎo)率2.2邊界條件在數(shù)值模擬屮，激光器輸入的熱量為300 w,冷凝器提供的冷量為300 w,本文只考慮了恒溫桶內(nèi)的水流區(qū)域，沒有考慮冷凝器圓管內(nèi)部冷卻工質(zhì)的流動(dòng)情況。恒溫桶出 口的水溫需要穩(wěn)定在20±0.1 °c。根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算:熱源:q.二300w, qns =300 w出口邊條：7；“產(chǎn)2() °c, p二().1 mpa, r

8、efprop 查得物性,饑=84.006 kj/kgp 300w由能量方程 phn, uh = -=6 kj/kgm 50g/$hin = hout + a/l =84.006 kj/kg+6 kj/kg=90.006 kj/kg, pin =0.1 mpa使用refprop查得位=294.58 k因此，入口邊條：tin =294.58 k,質(zhì)量流量m =50 g/s在網(wǎng)格劃分方面，屬于流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合的問題，恒溫桶內(nèi)部的水流區(qū)域別劃分好 網(wǎng)格，在溫度梯度人的地方將網(wǎng)格加密，其他溫度梯度小的區(qū)域適當(dāng)增加網(wǎng)格，使得網(wǎng) 格的劃分既要保證計(jì)算精度又要考慮計(jì)算量。本文使用comsol multiphy

9、sics軟件進(jìn)行分析模擬，將前處理一網(wǎng)格劃分，后處理 圖像表格分析集成在一起，通過不斷加密網(wǎng)格，驗(yàn)證了網(wǎng)格的獨(dú)立性，最終確定的網(wǎng) 格數(shù)為300006；使用穩(wěn)態(tài)求解器求解，能量方程殘差的收斂標(biāo)準(zhǔn)為3結(jié)果分析3.1基本結(jié)構(gòu)恒溫桶的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分析圖9是恒溫桶整體的溫度分布云圖，從圖中可以看出恒溫桶整體溫度較均勻。表面：溫度(degc) 21.45 0 -19.7沿著桶高的方向做出一系列的截面，做出不同截面平均溫度隨高度變化的圖形，可 以從圖中走勢(shì)初步判斷，在蒸發(fā)器部分冷量集中溫度較低，這與實(shí)際的傳熱過程相同, 而在出口區(qū)域的溫度均勻性好。20.1 -20.0-9 8 7 6 i > 9 9

10、9 9(p)zz竺茬*卜隹立19.j020406080100120140160恒溫桶截面高度mm)圖10圖11是恒溫桶內(nèi)部流域的流線圖，從流線圖中可以看出，入口的質(zhì)量流率過大， 水流很快地打到邊壁上；恒溫桶中上部較空，可以考慮降低流速看是否可以將內(nèi)部流場(chǎng) 布置得更均勻。1.5場(chǎng)u圖113.2不同結(jié)構(gòu)表面溫度分布對(duì)比我們更關(guān)心恒溫桶出口的表面溫度分布，通過下而的表格可以清晰直觀地看到不同結(jié)構(gòu)出口表面溫度均勻性的差異。我們以出口表面最高與最低溫度之差來反映溫度的均 勻性，也就是控溫精度?；窘Y(jié)構(gòu)丁二幾法一7 =20.0327-19.9294=0.1033 °c26孔篩板單層折流板 = t

11、 tmin =20.113-19.961 =0.152 °cat = 7；枷-人曲=20.144-19.945=0.199 °c56孔篩板at = 7；nax 一 =20.1716-19.9566=0.215 °c雙層折流板三層折流板103孔篩板at = 7x - 7；湎=20.1371-19.8505=0.2866 °c56孔篩板與折流板結(jié)構(gòu)at = 7；nax 一 為=20.1178-19.9185=0.1993 °c4總結(jié)本文對(duì)具有高精度控溫功能的恒溫桶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過多物理場(chǎng)耦合軟件comsol multiphysics對(duì)八種不同

12、結(jié)構(gòu)的恒溫桶水流區(qū)域內(nèi)建立的流體流動(dòng)與傳熱的控 制方程進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得了出口表面的溫度分布均勻性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并根據(jù)流域內(nèi) 流線的分布對(duì)桶內(nèi)結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)優(yōu)化。總體來說：1. 桶內(nèi)加帶圓孔篩板的結(jié)構(gòu)控溫效果差，不建議采用；2. 桶內(nèi)加折流板進(jìn)行擾流的溫度均勻性好，但也應(yīng)布置合理數(shù)量的折流板，否則 數(shù)量過多會(huì)增大流動(dòng)阻力。3. 桶內(nèi)加兩層折流板的控溫效果最好，精度可以達(dá)到0.0464 °c本文工作對(duì)半導(dǎo)體激光器高精度控溫的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供有力的數(shù)據(jù)和參考。參考文獻(xiàn)1 brandner j j, bohn l, henning t, et al. microstructure heat

13、 exchanger appl ications in laboratory and industry j heat transfer engineering, 2007, 28(8-9) : 761-712 chen x, ye h, fan x, et al. a review of small heat pipes for electronics j. applied thermal engineering, 2015,3 dtxtt t, ghosh t review of micro-and mini-channel heat sinks and heat exchangers fo

14、r single phase fluids j. renewable and sustainable energy reviews, 2015, 41 (1298-311.4 kaxdlikar s g. history, advances, and challenges in liquid flow and flow belling heat transfer in microchannels: a critical review j. journal of heat transfg 2012, 134(3): 034001.5 vetrovec j, feeler r, bonham s

15、progress in the development of active heat sink for high-power laser diodesc/spie lase inlernational society for optics cind photonics,2010: 75830k-75830k-&|6 vetrovec j iligh-performanee heat sink for interfacing hybrid electric vehicles inverters to engine coolant loopfr. sae technical paper,

16、20117 vetrovec j, copeland d a, feeler r, et al. testing of active heat sink for advanced high-power laser diodesc/spte lase. international society for optics and photonics, 2011: 79180g-79180g-6.1.8 vetrovec j, litt a s, cope la nd d a, et al. liquid metal heat sink for high-power laser diodesc/sple lase. international society for optics and photonics, 2013: 86050e-86050e-7.9 li q, tie p, xuan y tnvestigation on heat transfer characteristics of r134a spray coolingj. experiment