熱沉是環(huán)境模擬器中用來(lái)模擬冷黑環(huán)境的核心結(jié)構(gòu)，熱沉的溫度均勻性是其最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。本文采用數(shù)值模擬方法，對(duì)小型熱真空模擬器不銹鋼板式熱沉進(jìn)行了熱力學(xué)分析。模擬結(jié)果表明：不銹鋼板式熱沉具有換熱效率高、溫差均勻性好、冷劑用量少等優(yōu)點(diǎn)，減小不鋼板之間的距離可以提高熱沉溫度均勻性，而不同進(jìn)出口布置形式對(duì)熱沉壁面的溫度均勻性影響較小。本文得到的模擬結(jié)果，真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為對(duì)優(yōu)化熱沉結(jié)構(gòu)、提高溫度均勻性、減少冷劑使用量具有實(shí)際意義。

　　目前國(guó)外環(huán)境模擬器所廣泛采用的熱沉為類(lèi)似于板式換熱器的不銹鋼板式夾層結(jié)構(gòu)熱沉，它是將兩塊不銹鋼板焊接在一起，熱沉板中間采用模壓形成凹坑再實(shí)施點(diǎn)焊的方法，形成冷劑流動(dòng)的通道。這種結(jié)構(gòu)熱沉的不銹鋼板可直接接受熱輻射，并將熱量傳遞給冷劑，換熱效率高，能夠克服不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn)，冷劑流動(dòng)暢通，液氮為工質(zhì)時(shí)不易出現(xiàn)氣堵。由于這種結(jié)構(gòu)熱沉的性能優(yōu)異，國(guó)內(nèi)已開(kāi)始對(duì)這種新型不銹鋼板式熱沉進(jìn)行初步探索研究。

　　本文采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，對(duì)不銹鋼板式熱沉內(nèi)冷劑穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱情況以及溫度分布進(jìn)行了流動(dòng)與傳熱特性分析，研究了熱沉進(jìn)口冷劑流量、鋼板之間的距離、冷劑進(jìn)出口形式對(duì)熱沉壁面溫度均勻性的影響，研究結(jié)果對(duì)熱沉設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有參考價(jià)值。

　　1、不銹鋼板式熱沉內(nèi)冷劑流動(dòng)與傳熱的理論建模與數(shù)值求解

　　1.1、熱沉內(nèi)冷劑流動(dòng)與傳熱的數(shù)學(xué)模型

　　根據(jù)不銹鋼板式熱沉傳熱特點(diǎn)，數(shù)學(xué)模型建立時(shí)作以下假設(shè)：

　　(1)流動(dòng)各物理量不隨時(shí)間變化，即為定常流動(dòng)；

　　(2)冷劑為不可壓縮牛頓流體；

　　(3)重力和由于密度差所引起的浮力均忽略不計(jì)；

　　(4)由于熱沉內(nèi)冷劑的流速較低，忽略流體流動(dòng)時(shí)黏性耗散所產(chǎn)生的熱效應(yīng)；

　　(5)冷劑僅為液相。

　　1.2、冷劑流動(dòng)與傳熱的數(shù)值求解

　　熱沉有效空間直徑900 mm、長(zhǎng)1 200 mm，不銹鋼板厚度為1.5 mm。兩鋼板的間距為10 mm，凹坑深度為10 mm，傾角為60°，凹坑直徑為14 mm，凹坑間距為80 mm。下端有一直徑為40 mm 的進(jìn)液匯總管，上端有同樣尺寸的出液匯總管，進(jìn)液口與出液口布置在同一側(cè)，即U 型布置。冷劑從下進(jìn)液管進(jìn)入，通過(guò)3 條通道進(jìn)入板式熱沉的夾層中，當(dāng)夾層空間充滿(mǎn)液體后，再?gòu)? 條通道進(jìn)入出液匯總管。不銹鋼板式熱沉的結(jié)構(gòu)示如圖1 所示。

圖1 不銹鋼板式熱沉幾何模型

　　筒體熱沉結(jié)構(gòu)關(guān)于中心平面對(duì)稱(chēng)，流場(chǎng)也是對(duì)稱(chēng)的，只需對(duì)半個(gè)圓筒熱沉建模。使用Gambit 2.4作為網(wǎng)格生成工具，主體采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，局部采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。熱沉內(nèi)冷劑為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，整個(gè)熱沉的冷劑流量為35 L/min，設(shè)定入口為速度入口，流速為0.4642 m/s，入口冷劑溫度為213.15 K，出口邊界條件為自由流動(dòng)出口，不銹鋼板直接接受熱輻射，內(nèi)表面受到來(lái)自試件的恒定熱流率為33.255 W/m²，外表面受到來(lái)自真空室器壁恒定熱流率為39.845 W/m²，上下匯總管和筒體中心平面為對(duì)稱(chēng)邊界條件，其它壁面設(shè)定為固定壁面絕熱邊界條件。熱沉內(nèi)冷劑為T(mén)hermalHL80，熱沉管固體材料為304 不銹鋼，密度為7850 kg/m³，比熱容為0.46 kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為17 W/(m·K)。

　　以ANSYS FLUENT 14.0 為計(jì)算平臺(tái)，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散，使用壓力—速度耦合半隱式Simple 算法，求解收斂條件為相對(duì)殘差低于1×10^-5，入口和出口的流量差低于10^-7 kg/s。

　　3、結(jié)論

　　(1)不銹鋼板式熱沉的冷劑與熱沉板直接換熱，換熱效率很高，熱沉的溫度均勻性要明顯好于管板式熱沉。

　　(2)減小兩片鋼板之間的距離可以提高熱沉溫度均勻性，但是距離過(guò)小不易加工制造，夾層間距小于10 mm 就可獲得很好的溫度均勻性。

　　(3)對(duì)于本文所研究的直徑900 mm、長(zhǎng)1200 mm小型不銹鋼板式熱沉來(lái)說(shuō)，冷劑不同出口布置形式對(duì)熱沉壁面的溫度均勻性影響很小。