CN109977578A - 大型板式热沉的cfd结构优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大型板式热沉的CFD结构优化方法，该方法运用Fluent系统对胀板单元进行三维建模和网格划分，再设置边界条件，仿真计算制冷介质在胀板单元内的流动换热情况，通过对热沉管网系统进行一维仿真计算和三维CFD仿真计算，从而获得液氮在胀板内的流场和温度场，确定了热沉管网中各管道管径的最佳配比，实现了热沉管网内所有胀板的温度均匀性和平均温度满足要求，解决了大型板式热沉的整体设计和仿真计算难题。

Description

大型板式热沉的CFD结构优化方法
技术领域
本发明属于空间环境模拟技术领域，具体涉及一种利用CFD系统对大型板式热沉进行模拟，从而得到满足热沉温度均匀性要求的热沉管网结构。
背景技术
热沉是空间环境模拟设备中一个重要的组成部分，其功能是模拟太空的冷黑环境，使航天器能够在地面进行热真空和热平衡试验，从而验证航天器设计的正确性和可靠性。根据空间环境模拟设备的尺寸，热沉也分为大型热沉、中型热沉和小型热沉三种。对于每一种规格的热沉，其设计方法也不尽相同。当热试验开始前，向热沉内通入一定流量和压力的制冷介质，制冷介质从热沉进口流入，与热沉板或热沉管板进行对流换热，使热沉温度降到技术指标要求的规定温度。对于设计者来说，保证制冷介质在热沉内的充分流动换热是热沉结构设计的关键。
近年来，板式热沉已经越来越广泛的被应用在空间环境模拟设备中。其作为一种新型的热沉形式，对其结构特性、流量分配等性能需要进行深入的了解。板式热沉在结构上没有传统意义上的管道，在其夹层内部有众多流动通道，制冷介质在其内部流动。因此，制冷介质在热沉流道内流动情况复杂。
大型板式热沉的情况更加复杂，数十片胀板并联在一起。如果制冷介质在胀板之间的流动不均匀会出现热沉的壁板温度不均匀，达不到温度均匀性要求。或者更严重的是，有的胀板温度达不到100K，不满足温度指标要求。因此，如何保证胀板之间的流量分配均匀，同时保证单片胀板内的流动换热效果是需要解决的问题。大型板式热沉由汇总管、一级支管、二级支管和多片胀板单元组成。热沉的温度均匀性取决于胀板单元之间的流量分配。因此，需要设计处最佳的汇总管和支管等的管径，才能保证胀板单元之间的流量分配均匀。
模拟大型板式热沉内的流动和换热活动是非常复杂的，如果对大型板式热沉的整体进行三维建模和仿真计算，会产生大量的计算步骤，对计算机的要求非常高，同时所需的计算时间也很长，不具备可操作性。如何对大型板式热沉进行结构模拟和分析计算，得到各胀板单元的流量分配，从而得到温度均匀性是需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提出了一种大型板式热沉结构的优化方法。板式热沉结构设计的目的有两个：一是合理的选择热沉管网的汇总管的管径、一级支管管径、二级支管管径等；二是确定管网排列和组合方式，使进入每片热沉的流量都趋于一致，保证了热沉的平均温度和温度均匀性。这种CFD结构优化技术节省了仿真计算的时间，提升了设计效率，同时也达到了技术指标要求。
为了解决上述问题，本发明采用了如下的技术方案：
大型板式热沉的CFD结构优化方法，包括以下步骤：
第一，根据大型板式热沉的初步总体结构，确定出热沉管网的胀板单元的数量及其结构参数，结构参数包括胀板单元的数量、尺寸，汇总管的管径、一级支管管径、二级支管管径；
第二，运用Fluent系统对胀板单元进行三维建模和网格划分，再设置边界条件，仿真计算液氮在胀板单元内的流动换热情况，获取胀板单元的流量和压力损失的关系；
第三，运用Flowmaster系统建立一组胀板单元并联工作的一维计算模型，进行制冷介质在胀板单元组内的流量分配仿真计算，使用系统中的Discrete loss元件模拟胀板单元，使用piping元件模拟汇总管、一级支管，使用source:pressure作为热沉管网的入口压力边界，source:flow作为热沉管网的出口流量边界，使用节点nodes将这些原件连接起来成为一个完整的一维管网模型；计算采用Flowmaster软件中的一维稳态流动计算，制冷介质为液氮；边界条件为：进口为压力边界条件，出口为流量边界条件；将第二步得到的流量和压力损失数据输入到Flowmaster的阻力元件特性中，根据计算结果，获得热沉管网中所有胀板单元的流量分配；
第四，运用Fluent系统模拟液氮在胀板单元内的换热活动，得到单片胀板的流动换热数据；
第五，判断胀板单元的换热数据是否满足技术指标要求，如果满足，则确定大型板式热沉的总体结构；如果不满足，则依次需要修改热沉管网的参数，重复上述步骤2-4，直至胀板单元的温度场仿真计算满足要求。
其中，流动换热数据包括温度分布云图等。
其中，所述参数为汇总管管径、一级支管管径、二级支管管径；
其中，胀板单元的流量和压力损失的关系采用线形方程进行拟合，数据点至少3组，使用Flowmaster系统完成拟合。
其中，运用Fluent系统对胀板单元进行三维建模和网格划分，再设置边界条件，仿真计算制冷介质在胀板单元内的流动换热情况。首先，将ProE三维胀板模型导入到前处理软件Gambit，再进行四面体网格化分。导入到Fluent后,进行求解，使用湍流模型中的k-epsilon模型，材料设置中，胀板材料为不锈钢，流体介质为液氮，物性参数为：密度790kg/m3。边界条件：胀板单元的入口类型inlet；壁面为给定热流边界条件。出口选择outflow类型。运行软件并获得收敛结果后，得到胀板进口截面和出口截面的平均压力值。将这两个值做减法，其绝对值即为在此进口速度条件下胀板单元的阻力损失。再进行至少另外两组不同入口速度下的数值仿真计算。最后可以得到至少三组不同入口速度下的压力损失。
本发明的提供的技术方案的有益效果是：通过对热沉管网系统进行一维仿真计算和三维CFD仿真计算，从而获得液氮在胀板内的流场和温度场，确定了热沉管网中各管道管径的最佳配比，实现了热沉管网内所有胀板的温度均匀性和平均温度满足要求，解决了大型板式热沉的整体设计和仿真计算难题。
附图说明
图1是本发明的大型板式热沉的CFD结构优化方法流程图；
图2是本发明设计过程中的热沉管网的一维模型；
图3是本发明设计过程中热沉管网的流量分配计算结果；
图4是本发明设计过程中的胀板单元的温度分布云图。
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
参见图1，图1显示了本发明的大型板式热沉的CFD结构优化方法流程图，其中，本发明的大型板式热沉的CFD结构优化方法，包括以下步骤：
a.输入热沉的整体结构，筒体热沉在高度方向上分为4段，每段各自设置进出液口。根据理论计算，给定1段筒体热沉总流量为40.1m3/h。由于1段筒体热沉为左右对称结构，仅选取半圆形热沉(20片)进行计算。即确定一个热沉管网由20个胀板单元组成，汇总管尺寸DN125，一级支管尺寸DN50，二级支管尺寸DN32。
b.建立单个胀板单元三维模型，并进行网格划分。将划分好的网格导入CFD求解，设置边界类型及条件，胀板的材料属性、仿真计算获得不同流量下的胀板阻力损失。求解中，使用湍流模型中的k-epsilon模型，材料设置中，胀板材料为不锈钢，流体介质为液氮，物性参数为：密度790kg/m3。边界条件：胀板单元的入口类型inlet,Velocity magnitude:0.09m/s；壁面给定热流300W/m2。出口选择outflow类型。运行软件并获得收敛结果后，得到胀板进口截面和出口界面的平均压力。将这两个值做减法，其绝对值即为在此进口速度条件下，胀板单元的阻力损失。再进行至少另外两组不同入口速度下的数值仿真计算。最后可以得到至少三组不同入口速度下的压力损失。结果如下表所示：
Volume flow rate(m3/s) Pressure loss(bar)
0.000281 0.000429
0.000365 0.000587
0.000547 0.0014
c.利用CFD技术，建立管网系统的一维模型，根据步骤a的设计结构进行建模，如图2所示。使用软件中的Discrete loss元件模拟胀板单元，使用piping元件模拟汇总管、一级支管，使用source:pressure作为热沉管网的入口压力边界，source:flow作为热沉管网的出口流量边界。使用节点nodes将这些原件连接起来成为一个完整的一维管网模型。考虑到热沉管网的实际安装状态为竖直安装，将阻力元件出口处的节点参数Level设置为5.5m，如入口处节点参数Level设置为0m。流体类型选择：液氮；汇总管参数:直径：0.125m；一级支管直径：0.5m。管子的Absolute Roughness参数：0.025mm。对于Discrete loss元件，在Forward Press Loss v Flow Rate中输入步骤b中得到的三组数据值，即可生成一条流量和压力损失的线形曲线；入口截面积为所有二级支管面积总和的等效面积。边界条件为：入口压力：0.5MPa，出口-40.1m3/h。在Analysis中选择Steady State(SS)，点击START，运行结束并收敛后得到流量分配结果。
通过稳态计算，获得各胀板内获得的液氮流量。根据图3所示结果，显示热沉片最大流量1.54m3/h；最小流量为1.14m3/h。
d.运用CFD对胀板单元进行温度场的仿真计算，胀板单元的边界条件如下所示：
(1)热沉内的工作介质为液氮；
(2)进口温度为83K和进口压力为0.5MPa；
(3)胀板单元的入口液氮流量为1.14m3/h；
(4)胀板单元承受的平均热负荷为300W/m2。
经过计算，获得如图4所示的温度分布云图。通过温度云图，判定胀板的温度均匀性满足±5K要求。至此，整个热沉管网的设计完成并满足要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (6)

1.大型板式热沉的CFD结构优化方法，包括以下步骤：
第一，根据大型板式热沉的初步总体结构，确定出热沉管网的胀板单元的数量及其结构参数，结构参数包括胀板单元的数量、尺寸，汇总管的管径、一级支管管径、二级支管管径；
第二，运用Fluent系统对胀板单元进行三维建模和网格划分，再设置边界条件，仿真计算液氮在胀板单元内的流动换热情况，获取胀板单元的流量和压力损失的关系；
第三，运用Flowmaster系统建立一组胀板单元并联工作的一维计算模型，进行制冷介质在胀板单元组内的流量分配仿真计算，使用系统中的Discrete loss元件模拟胀板单元，使用piping元件模拟汇总管、一级支管，使用source:pressure作为热沉管网的入口压力边界，source:flow作为热沉管网的出口流量边界，使用节点nodes将这些原件连接起来成为一个完整的一维管网模型；计算采用Flowmaster软件中的一维稳态流动计算，制冷介质为液氮；边界条件为：进口为压力边界条件，出口为流量边界条件；将第二步得到的流量和压力损失数据输入到Flowmaster的阻力元件特性中，根据计算结果，获得热沉管网中所有胀板单元的流量分配；
第四，运用Fluent系统模拟液氮在胀板单元内的换热活动，得到单片胀板的流动换热数据；
第五，判断胀板单元的换热数据是否满足技术指标要求，如果满足，则确定大型板式热沉的总体结构；如果不满足，则依次需要修改热沉管网的参数，重复上述步骤2-4，直至胀板单元的温度场仿真计算满足要求。
2.如权利要求1所述的CFD结构优化方法，其中，流动换热数据包括温度分布云图。
3.如权利要求1所述的CFD结构优化方法，其中，所述参数为汇总管管径、一级支管管径、二级支管管径。
4.如权利要求1所述的CFD结构优化方法，其中，胀板单元的流量和压力损失的关系采用线形方程进行拟合，数据点至少3组，使用Flowmaster系统完成拟合。
5.如权利要求1-4任一项所述的CFD结构优化方法，其中，运用Fluent系统对胀板单元进行三维建模和网格划分，再设置边界条件，仿真计算制冷介质在胀板单元内的流动换热情况；首先，将ProE三维胀板模型导入到前处理软件Gambit，再进行四面体网格化分；导入到Fluent后,进行求解，使用湍流模型中的k-epsilon模型，材料设置中，胀板材料为不锈钢，流体介质为液氮，物性参数为：密度790kg/m3，边界条件：胀板单元的入口类型inlet；壁面为给定热流边界条件；出口选择outflow类型，运行软件并获得收敛结果后，得到胀板进口截面和出口截面的平均压力值。
6.如权利要求5所述的CFD结构优化方法，其中，将板进口截面和出口截面的平均压力值做减法，其绝对值即为在此进口速度条件下胀板单元的阻力损失，再进行至少另外两组不同入口速度下的数值仿真计算，最后得到至少三组不同入口速度下的压力损失。
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