多注行波管慢波散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

白衛(wèi)星 李金晶 劉煜文

摘要 多注行波管在提高行波管的效率帶寬乘積并大幅降低工作電壓的同時(shí)，也帶來了相對(duì)于休斯慢波結(jié)構(gòu)更大的諧振腔發(fā)熱量。本文在深入分析慢波系統(tǒng)諧振腔發(fā)熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了某型號(hào)大功率多注行波管的慢波液冷通道散熱結(jié)構(gòu)，并通過CFD流場(chǎng)仿真對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱和散熱特性進(jìn)行了優(yōu)化分析。本文設(shè)計(jì)的慢波液冷通道散熱結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于某核高基項(xiàng)目中，保障了其電參數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

[關(guān)鍵詞]多注行波管 慢波液冷結(jié)構(gòu) 仿真分析

多注行波管中多電子注技術(shù)的應(yīng)用，在提高行波管的效率帶寬乘積并大幅降低工作電壓的同時(shí)，也帶來了相對(duì)于休斯慢波結(jié)構(gòu)更大的諧振腔發(fā)熱量。以某型號(hào)大功率多注行波管為例，通過建立不同的冷卻液通道結(jié)構(gòu)并進(jìn)行相應(yīng)的CFD流場(chǎng)模擬計(jì)算，分析不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及影響導(dǎo)熱特性的主要因素，為針對(duì)性的調(diào)整和優(yōu)化多注行波管慢波通道熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供參考依據(jù)和設(shè)計(jì)方向。

1 多注行波管慢波散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)

慢波系統(tǒng)的諧振腔發(fā)熱的主要原因有：電子注散焦導(dǎo)致電子注在諧振腔漂移頭和漂移管內(nèi)壁的加熱;諧振腔材料的高頻損耗引起的諧振腔壁的加熱;諧振腔內(nèi)微波衰減材料的高頻損耗導(dǎo)致諧振腔壁的加熱。峰值功率20kW/平均功率4kW的大功率多注行波管，在90%流通率條件下，慢波系統(tǒng)所承受的電子注耗散功率為2kW，慢波結(jié)構(gòu)所用材料是真空微波管常用的Tul和DT8，表面微波耗散相對(duì)于電子注耗散在此可以忽略不計(jì);未設(shè)計(jì)內(nèi)置衰減材料的整管振蕩功率可高達(dá)十幾kW，通過引入內(nèi)置衰減材料后帶邊振蕩被抑制，較電子注耗散的功率，其對(duì)慢波系統(tǒng)的熱效應(yīng)在此也可以忽略。由于多注結(jié)構(gòu)特性，單注的大電流電子注被分散為十幾注，降低了慢波電壓的同時(shí)也增大了電子通道電子截獲的總面積，有利于大功率指標(biāo)的設(shè)計(jì)的。但由于加載頭的加大，磁聚焦系統(tǒng)的橫向場(chǎng)問題比較突出，不利于流通率的提高。因此大功率多注行波管慢波的散熱結(jié)構(gòu)要有設(shè)計(jì)良好的磁聚焦系統(tǒng)支持。對(duì)于多注行波管磁聚焦系統(tǒng)的專題研究已經(jīng)有較好的設(shè)計(jì)理論方案，實(shí)際制作的整管可以達(dá)到動(dòng)態(tài)超過90%的流通率。為了留有充分的設(shè)計(jì)余量，在此根據(jù)90%流通率下的慢波截獲給予分析計(jì)算。

2 多注行波管慢波散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)施過程

電氣參數(shù)的設(shè)計(jì)決定了諧振腔及加載頭尺寸，可以不考慮不同加載頭結(jié)構(gòu)對(duì)于散熱的影響。在此設(shè)計(jì)了幾種慢波水冷通道a、b、c、d，水冷通道外徑即磁片內(nèi)徑。由于部分諧振腔內(nèi)有吸收材料，所以在有吸收材料的部分水冷通道均設(shè)計(jì)成e結(jié)構(gòu)。極靴設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)，分別是水槽位于耦合槽同方向的f形和旋轉(zhuǎn)900的g形。如圖1所示。

簡化后的慢波系統(tǒng)模型如圖2所示，改變相應(yīng)耦合環(huán)和極靴的結(jié)構(gòu)，模擬分析穩(wěn)態(tài)下熱場(chǎng)結(jié)果，其中慢波電子通道按總耗散功率2kW計(jì)算，電子通道面積按5400mm2計(jì)算，熱流量按0.37W/mm2計(jì)算。

由于水流從進(jìn)水口至出水口，其主要流向是Y方向;電子沉降在慢波電子通道處，故傳熱方向主要在X方向，故對(duì)XY兩個(gè)方向的流場(chǎng)和熱場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖3、圖4、圖5、圖6分別對(duì)應(yīng)a、b、c、d四種耦合環(huán)及g極靴結(jié)構(gòu)下的水冷體積流量在lOL/min的條件下的分析結(jié)果。

比較結(jié)果如表1所示，a、b兩種結(jié)構(gòu)散熱性能基本一致，b結(jié)構(gòu)在增加了散熱面積的同時(shí)也增加了水阻，對(duì)散熱效果沒有顯著的改進(jìn);c結(jié)構(gòu)在增加散熱面積的同時(shí)在Y方向的散熱片沒有起到有效的作用反而加大了水阻，流速的減小導(dǎo)致表面對(duì)流換熱系數(shù)的減小，d結(jié)構(gòu)其散熱片則位于一個(gè)比較合適的狀態(tài)。

由于銅熱導(dǎo)率386W/ （m-K）而鐵熱導(dǎo)率僅有72.8 W/ （m·K），發(fā)熱最為嚴(yán)重的是鐵極靴的中心，四種散熱結(jié)構(gòu)對(duì)銅耦合環(huán)的影響相同，經(jīng)過計(jì)算，在以上的邊界條件下，四種耦合環(huán)在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的最高溫度均為65℃，而極靴的溫度最高和最低溫差達(dá)20℃。圖7是耦合環(huán)和極靴內(nèi)部熱場(chǎng)分布狀態(tài)。

對(duì)比分析f結(jié)構(gòu)極靴，在同種a結(jié)構(gòu)耦合環(huán)條件下的熱計(jì)算結(jié)果如圖8所示，由于水槽和耦合槽在同一方向，而水流流速最快的地方正是水槽附近的換熱面，由于受到耦合槽的影響，其在此方向的導(dǎo)熱不及g結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整體溫度偏高?？梢钥闯銎渖嵝Ч患癵結(jié)構(gòu)極靴。

四種結(jié)構(gòu)最小流速如表2所示，X方向是極靴上水槽正對(duì)的位置，此方向上的流阻最小，流體流速最快，在結(jié)構(gòu)e耦合環(huán)位置的水流速度基本能達(dá)到6000mm/s，b、c、d四種耦合環(huán)位置的流速由于受到散熱片的阻礙，流速降低至不到3000mm/s。在Y方向上水流速度分布不均，此處流速是在受熱交換作用的四種結(jié)構(gòu)耦合環(huán)散熱表面位置的流場(chǎng)流速，不表示整個(gè)通道流速。

由于慢波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要兼顧電氣性能指標(biāo)，靜力、動(dòng)力學(xué)等可靠性指標(biāo)的設(shè)計(jì)，因此其材料、結(jié)構(gòu)上在散熱方面的設(shè)計(jì)收到諸多限制條件的約束。對(duì)于大功率多注慢波結(jié)構(gòu)，由于電子通道、耦合槽的尺寸限定，水冷通道收諧振腔尺寸和磁系統(tǒng)尺寸的約束，基本沒有太大改進(jìn)空間，因此合理的流體通道結(jié)構(gòu)是十分關(guān)鍵的設(shè)計(jì)思路。以上幾種結(jié)構(gòu)水冷通道，其對(duì)流體的影響是不同的，而流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)和分布狀態(tài)，以及流量流速的控制對(duì)散熱具有很大的影響。

流速對(duì)散熱系統(tǒng)的散熱能力是有重要的作用的，流速高則流體與散熱表面的流體雷諾數(shù)則越高，

U為液體流速，單位m/s;Deq為冷卻通道當(dāng)量直徑，單位m;v為液體的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，單位為㎡/s。

分別設(shè)定入口體積流量為5L/min和20L/min的邊界條件，在結(jié)構(gòu)d的模型中計(jì)算分析，結(jié)果如圖9和圖10所示。

對(duì)比d結(jié)構(gòu)三種狀態(tài)下的結(jié)果如表3所示，此處流速是在d結(jié)構(gòu)耦合環(huán)散熱表面的流場(chǎng)流速，不表示整個(gè)通道流速。

可以看到雖然流速發(fā)生了非常大的變化，但是極靴處的最高溫度并沒有明顯的降低，也就是說在改變流量的條件下對(duì)整個(gè)慢波的散熱是沒有特別明顯的改善。因?yàn)榭偭髁縋為耗散功率（kW），Cp為流體的熱容（kcal/ （kg·℃）），Y為流體的重度（kg/m3），△t為溫升（℃）。增加流量，雖然可以降低液體的溫升，但由于慢波結(jié)構(gòu)和材料的限定，其內(nèi)部粒子截獲面到液體表面的溫升卻是基本保持一定的，在不同的體積流量的條件下，其散熱效果近似。

3 結(jié)論

通過仿真分析定量的分析了大功率多注耦合腔行波管慢波段散熱結(jié)構(gòu)及流體條件?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

（1）散熱比較好的結(jié)構(gòu)是d結(jié)構(gòu)，究其原因，在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要提高鐵極靴的換熱效率，因此需要加大鐵極靴流體接觸面上Y方向流速。一味地提高銅材換熱面積及換熱效率對(duì)整體慢波通道散熱沒有太大影響。

（2）大功率多注行波管的慢波液冷通道散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向，不在于追求大量的冷卻液體積和流量，關(guān)鍵在于保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下設(shè)計(jì)更合理的散熱結(jié)構(gòu)。

（3）在同一散熱結(jié)構(gòu)條件下，一味地增加鐵極靴流體接觸面上Y方向流速會(huì)出現(xiàn)散熱瓶頸，還需要使用熱導(dǎo)率更高的導(dǎo)磁性材料替代電工純鐵才能在數(shù)量級(jí)上提高整體慢波散熱能力。

在該設(shè)計(jì)方向下進(jìn)行的多注行波管的慢波液冷通道散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)己成功應(yīng)用于某核高基項(xiàng)目實(shí)施，并保障了其電參數(shù)的實(shí)現(xiàn)并通過驗(yàn)收。

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