計算流體力學(xué)在CO2激光器換熱器設(shè)計中的應(yīng)用

王文進(jìn)，王又青，趙 恒，胡 逸，趙 江

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢430074)

引 言

由于激光加工技術(shù)相對于傳統(tǒng)加工工藝具有無法比擬的優(yōu)勢，所以在工業(yè)加工中得到了廣泛的應(yīng)用。為了滿足工業(yè)加工要求的進(jìn)一步提升，激光器就要向更高功率、長時間穩(wěn)定運(yùn)行的方向發(fā)展［1-2］。高功率工業(yè)激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，這在一定程度上限制了它的推廣和應(yīng)用。目前CO2激光器在技術(shù)和價格上都占有優(yōu)勢，是工業(yè)高功率激光光源的最佳選擇。本課題旨在為軸快流CO2激光器氣體循環(huán)系統(tǒng)熱交換部件的設(shè)計提供一種高效的方法。

目前，軸快流CO2激光器的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到25%左右，也就是說有75%的電能轉(zhuǎn)化為氣體的熱能，工作氣體通過放電區(qū)后溫度會升高150K左右。氣體溫度的升高會導(dǎo)致激光器放電不穩(wěn)定和輸出功率的下降。所以，需要熱交換系統(tǒng)把放電產(chǎn)生的廢熱帶走，以保證工作氣體在進(jìn)入放電區(qū)域時保持常溫狀態(tài)［3-4］。

作者針對傳統(tǒng)軸快流CO2激光器熱交換設(shè)計采用的經(jīng)驗公式法計算繁瑣、靈活性低、需要較多的工程經(jīng)驗等缺點［5］，提出使用流體動力學(xué)方法設(shè)計軸快流CO2激光器的換熱器的方案，并設(shè)計了管布結(jié)構(gòu)的4kW軸快流CO2激光器換熱器，其能滿足激光器連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

1 激光器換熱器的設(shè)計要求

Fig.1 Gas circulation diagram of the laser system

4kW軸快流CO2激光器的流道結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作氣體是由摩爾比為r(CO2)∶r(N2)∶r(He)=5∶29∶66的混合氣體，工作壓強(qiáng)為10.4kPa。工作氣體由風(fēng)機(jī)經(jīng)副換熱器進(jìn)入放電管，經(jīng)過放電的高溫氣體再由主換熱器進(jìn)入風(fēng)機(jī)。工作氣體在風(fēng)機(jī)中流動時會和葉輪產(chǎn)生摩擦并且體積被壓縮，在這個過程中會產(chǎn)生附加熱量。工作氣體放電過程中產(chǎn)生的熱量和這些附加熱量相比要大得多，所以本文中以主換熱器為例，介紹計算流體動力學(xué)方法在軸快流CO2激光器換熱器設(shè)計中的應(yīng)用。

軸快流CO2激光器熱平衡方程為［6-7］:

式中，P1為工作氣體放電后產(chǎn)生的熱量，P2為注入電功率，P3為激光輸出功率，P3=P2η，η為激光器的電光效率。為了使設(shè)計的換熱器留有余量，η取值為20%。文中的激光器選用 Leybold公司的S3500風(fēng)機(jī)，體積流量可達(dá) 4000m3/h。298K，10.4kPa時混合氣體的密度ρ=0.049kg/m3，計算得氣體的質(zhì)量流量M=0.0545kg/s，工作氣體的定壓比熱容cp=1949kJ/(kg·K)。4kW軸快流激光器按照20%的電光效率來計算，工作氣體經(jīng)過放電區(qū)域后會產(chǎn)生16kW的熱量，氣體溫度的上升值為ΔT=150.3K。4kW軸快流CO2激光器中有兩個對稱的主換熱器，所以設(shè)計的每一臺主換熱器的換熱量需要達(dá)到8kW左右。

根據(jù)軸快流CO2激光器換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、氣體流阻小的要求，4kW軸快流CO2激光器選用的是矩形翅片管式換熱器，如圖2所示。

Fig.2 Finned-tube refrigeration heat exchanger

矩形翅片管式換熱器的氣體阻力計算的經(jīng)驗公式為［8］:

式中，n是指氣流方向上的管排數(shù)，f是摩擦系數(shù)，Gmax是最小截面的質(zhì)量流速。當(dāng)換熱器氣體流阻大時會加重風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，不利于激光器長時間穩(wěn)定運(yùn)行。所以換熱器的氣體流阻必須盡量小。

2 換熱器的設(shè)計與數(shù)值模擬

2．1 換熱器模型與邊界條件

估算換熱面積，5×5管排布置的84片190mm×190mm矩形翅片管能滿足4kW軸快流CO2激光器換熱器的換熱需求，幾何模型如圖3所示。

Fig.3 Geometric model of heat exchanger

為了簡化計算，模型被虛線分割為3個部分，只將虛線內(nèi)部的區(qū)域作為模擬計算區(qū)域，將它的兩個切割面設(shè)定為對稱邊界。對于翅片使用周期性邊界條件，只建立兩片翅片之間的區(qū)域作為流體的計算區(qū)域，將上、下表面設(shè)置為周期性邊界條件，進(jìn)出口均采用壓力條件。初始條件和邊界條件需要用到的物性參量如表1所示。

Table 1 Physical parameters used for numerical calculation［8-9］

2．2 熱交換過程與流場分析

因為5×5的管布結(jié)構(gòu)不嚴(yán)格對稱，所以計算出的換熱量會略小于實際值，但是對內(nèi)部流場分布(如圖4所示)的影響不大。

Fig.4 Flow field distribution inside the heat exchanger with 5×5 tube arrangementa—pressure distribution b—temperature distribution

由壓強(qiáng)分布云圖(見圖4a)可以看出，從換熱器進(jìn)口到出口，壓強(qiáng)呈平滑分層波紋狀且遞次減小，在進(jìn)口和出口處壓降較大，經(jīng)過每一排換熱管時壓強(qiáng)產(chǎn)生較大的變化，在橫向方向上，也就是垂直于氣體流動方向上，壓強(qiáng)變化不明顯?？梢?，換熱管排數(shù)越多，壓降越大;換熱管列數(shù)，對換熱器的流道阻力影響不大;這與計算換熱器流阻的經(jīng)驗公式(2)式是一致的。

由溫度云圖(見圖4b)只能看出，翅片表面的溫度變化呈分層變化、均勻遞減的趨勢。選取換熱器中心線為分析對象如圖5所示。從圖中可以看出工作氣體進(jìn)口溫度為446K，沿著中心線方向上，溫度呈遞減趨勢。當(dāng)工作氣體繞流過圓管時會產(chǎn)生繞流脫體現(xiàn)象，因此此處的溫度變化趨勢呈現(xiàn)一個小階梯;然后，溫度分布又呈平滑下降趨勢。由換熱器中心溫度曲線可見，第2段溫度下降比較明顯，而第5段溫度幾乎沒有變化，說明在第5段時工作氣體的溫度與冷卻水達(dá)到了平衡，兩者之間沒有熱量的交換［10］。

Fig.5 Temperature curve at centerline of heat exchanger with 5×5 tube arrangement

2．3 優(yōu)化設(shè)計

由以上分析可知，換熱器的最后一排水管沒有起到換熱的作用，并且增大了換熱設(shè)備的氣體流阻。所以可以移去最后一排銅管以提高換熱效率，降低氣體流阻;在垂直氣流方向上增加一列銅管以保證換熱器的換熱量，將換熱器優(yōu)化為4×6的管排布置、228mm×152mm矩形翅片結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的換熱器結(jié)構(gòu)的流場分布與中心線上的溫度變化曲線如圖6所示。

Fig.6 Flow field and temperature curve at centerline of heat exchanger with 4×6 tube arrangementa—pressure distribution b—temperature curve at centerline of heat exchanger

從圖6可以看出，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)的出口壓強(qiáng)相較于之前管布結(jié)構(gòu)(見圖4a)要大100Pa左右，優(yōu)化后換熱器中心線處的溫度分布曲線有4個明顯的階梯狀分布，并且均有比較明顯的溫度變化。由于前排管使氣體產(chǎn)生了擾動增強(qiáng)了氣體分子的無規(guī)則運(yùn)動，提高了換熱效率，所以第2段和第3段的溫差要略大于第1段。出口處由于氣體溫度與換熱管內(nèi)水溫逐漸達(dá)到平衡，因此溫差較小。這說明改進(jìn)后的換熱器結(jié)構(gòu)壓力損失減小并且冷卻水管得到了充分的利用換熱效率得到提高。所以在4kW軸快流CO2激光器設(shè)計選擇此方案作為換熱設(shè)備。

2．4 經(jīng)驗公式結(jié)果對比與實驗驗證

由經(jīng)驗公式可計算出換熱器銅管、矩形翅片的換熱系數(shù)，得到換熱器的整體換熱系數(shù)，然后根據(jù)換熱器面積和具體管布結(jié)構(gòu)計算出換熱器的換熱量和氣體流阻［11］。由計算流體力學(xué)軟件的報告功能可以得到進(jìn)口和出口的壓強(qiáng)值、流阻以及熱負(fù)荷分別為 10394.523Pa，10240Pa，154.523Pa，8888.53W。由經(jīng)驗公式法算出的換熱器流阻和熱負(fù)荷分別為154Pa，8915.2W。由上面的數(shù)據(jù)可知，計算流體力學(xué)軟件模擬出的結(jié)果與經(jīng)驗公式計算出的結(jié)果非常吻合。將通過計算流體動力學(xué)法設(shè)計出的換熱器安裝至4kW軸快流CO2激光器，連續(xù)運(yùn)行48h后激光器各項參量如圖7所示。

Fig.7 Operation monitoring interface of CP4000 laser used heat exchanger with 4×6 tube arrangement

由以上分析可知，計算流體動力學(xué)法是一種準(zhǔn)確、高效的設(shè)計軸快流CO2激光器換熱設(shè)備的新方法。

3 小結(jié)

使用計算流體動力學(xué)法可以得到軸快流CO2激光器熱交換設(shè)備內(nèi)部流場的詳細(xì)分布，通過分析溫度場、壓力場的分布情況可以對換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活的調(diào)整，以滿足激光器的工作需求。計算流體動力學(xué)法同樣適用于其它采用冷熱對流熱交換的氣體激光器，在今后的熱交換器設(shè)計中只要根據(jù)氣體配比、換熱量需求就可以根據(jù)此方法對換熱器進(jìn)行設(shè)計。

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