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圓盤式蒸發器的強度有限元分析與熱分析

發布于:2022-06-04 11:39
有限元分析

      環路熱管(Loop Heat Pipe:LHP)是一種利用蒸發器內的毛細芯產生的毛細力驅動回路運行、利用工質相變傳遞熱量的高效傳熱裝置。它具有傳熱性能高、傳輸距離遠、傳熱溫差小以及安裝靈活方便等諸多優點,在航天器熱控方面具有廣泛的應用前景。此外,LHP也適用于高熱流密度電子元器件的散熱。
      蒸發器是系統熱負荷的承受部件,在蒸發器毛細結構中,液體工質受熱發生汽化,將熱量從熱源運送到冷凝器后,汽相工質發生凝結,向外界傳熱,蒸發器毛細芯產生的毛細抽吸力使冷凝器中的冷凝液體通過液體管道返回到蒸發器,完成系統循環。在LHP中,蒸發器是最為關鍵的組成部分之一,它不僅是熱量的吸入部件,而且是整個系統中工質循環所需驅動力產生的源頭,其性能好壞直接影響到LHP能否啟動和整個工作的實現。近年來,由于圓盤式蒸發器具有傳熱能力大、等溫性好、使用方便等優點,越來越受到人們的關注。
      本文針對由所在實驗室已設計出的LHP圓盤式蒸發器創建了三維模型,進行了有限元分析和熱分析,進一步了解其工作性能為以后實驗工作打下較好的基礎。LHP圓盤式蒸發器的結構由帶肋片的上蓋、多孔芯層、儲液層、周向外壁和帶肋片的底座組成。周向外壁與底座是一體的,上蓋通過焊接與周向壁面相連。
      根據實際需要,將蒸發器上蓋設計為具有肋片結構形式,下部肋片厚0.5mm,與多孔芯接觸,上部平板厚1.5mm,總厚度2mm。
      這種結構的優點有:
      (1)減少蒸汽的流動阻力,加快蒸發器啟動速度;
      (2)提高蒸發器工作性能;
      (3)保證蒸發器上蓋的承壓能力,并減輕蒸發器重量。
      根據設計的結構尺寸,在ANSYS軟件中繪制三維模型,并加載工作條件,進行有限元分析。
      2 mm厚無肋片結構的蒸發器上蓋應力分布圖,在中心處和邊緣連接處附近應力分布集中,如圖中深色區域,最大應力值SMX=80 MPa左右,最大形變量DMX=0.017 mm。有肋片結構,總厚度也為2 mm的蒸發器上蓋應力分布圖,由于肋片的作用,應力分布比較均勻,圖中深色區域為應力較小區域。由于肋片結構邊緣存在尖點,導致在肋片上的尖點處出現應力集中點,產生虛假最大應力值SMX=192 MPa,這對上蓋的變形和應力分析的影響可以忽略。由前面的圖形和經驗可知,應力較大區域應出現在中心處與邊緣連接處附近,故實際最大應力值應為100 MPa左右,比沒有肋片結構的上蓋只多出20 MPa左右的應力,而獲得了如前面所述的3個優點,這樣,既保證了上蓋的承壓能力,又提高了蒸發器的工作性能。
      蒸發器在啟動前工質不發生相變;流體基本處于靜止狀態,忽略對流換熱;蒸發器工作溫度較低,絕熱情況良好,忽略輻射換熱,這樣,蒸發器啟動前的熱傳遞可以簡化為非穩態的導熱間題。
      設蒸發器上表面加載的熱流密度q=10 W/cm2,周向壁面及底座與外部空氣間的自然對流換熱系數h=5 W/(m2/K),系統的初始溫度T=290 K。將工作條件和物理模型在FLUENT軟件中進行模擬,得到如下結果。


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