高功率軸快流CO2激光器氣體強(qiáng)化傳熱研究.pdf

1、換熱器是高功率軸快流CO2激光器的關(guān)鍵技術(shù)之一，強(qiáng)化換熱器的傳熱效果、降低換熱器的壓損可以有效提高激光器的穩(wěn)定性、縮小激光器的體積。為了使激光器的結(jié)構(gòu)更加緊湊、降低激光風(fēng)機(jī)的功耗、提高激光器的輸出功率，本論文對(duì)高功率軸快流 CO2激光器換熱器的管排結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化并設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的渦流發(fā)生器。主要的研究工作包括：
　　創(chuàng)建了軸快流CO2激光器換熱器的數(shù)值計(jì)算模型，結(jié)合邊界層理論、氣體湍流理論與尾區(qū)誘導(dǎo)速度分布理論分析了管束排布方式對(duì)

2、換熱器熱交換效率與流阻的影響。根據(jù)理論分析以叉排布置的換熱器代替原有順排布置的換熱器，使換熱器的體積減小了14.2％。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明雷諾數(shù)400~1400范圍內(nèi)，在相同壓力損失的前提下叉排換熱器的換熱效率比順排換熱器的換熱效率提高了9%~24%。
　　建立了低雷諾數(shù)流體計(jì)算模型，分析軸快流CO2激光器換熱器引入長(zhǎng)方形渦流發(fā)生器之后流道內(nèi)縱向渦旋的形成過(guò)程與銅管尾區(qū)的變化。模擬結(jié)果表明渦流發(fā)生器可以破壞溫度邊界層的形成、促進(jìn)氣體的混合

3、、壓縮銅管的尾區(qū)面積。因此渦流發(fā)生器可以有效提高換熱器的換熱效率。另外渦流發(fā)生器對(duì)換熱器換熱效率的提升效果與渦流發(fā)生器的安裝方式和幾何尺寸有很大關(guān)聯(lián)。采用Taguchi法對(duì)十種不同尺寸與安裝方式的渦流發(fā)生器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。在雷諾數(shù)400~1400范圍內(nèi)，引入方形渦流發(fā)生器后軸快流CO2激光器的氣體換熱效率提高了5%~17%，同時(shí)其摩擦因子也增加了23%~30%。
　　提出了一種結(jié)構(gòu)新穎的組合渦流發(fā)生器，由一片帶有梯形缺口的長(zhǎng)方形主

4、翼和一片輔助翼組成。組合渦流發(fā)生器以漸縮式布置在換熱器的第一排銅管兩側(cè)，雷諾數(shù)的變化范圍為400~1400。模擬結(jié)果表明組合渦流發(fā)生器的縱渦的中心強(qiáng)度更高而且輔助縱渦中心靠近翅片可以更有效的促進(jìn)氣體混合、破壞翅片表面邊界層的形成。另外輔助縱渦可以直接流入尾區(qū)、壓縮其面積、提高翅片利用率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與安裝長(zhǎng)方形渦流發(fā)生器的換熱器相比，其努塞爾數(shù)平均提高了5.5%，摩擦因子平均降低了3.5%。使用組合渦流發(fā)生器可以在提高軸快流CO2激光

5、器氣體熱交換效率的同時(shí)減小渦流發(fā)生器的插入壓力損失，降低激光器風(fēng)機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷。
　　設(shè)計(jì)了一種橢圓形彎曲的渦流發(fā)生器，這種渦流發(fā)生器是將長(zhǎng)方形翼片按照一定的橢圓率進(jìn)行彎曲。通過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)流體在經(jīng)過(guò)橢圓形彎曲渦流發(fā)生器時(shí)會(huì)形成三個(gè)不同種類的渦旋，依次為馬蹄渦、橫渦、縱渦。馬蹄渦在位于換熱器的流道的底部，可以對(duì)銅管壁面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷、抑制流動(dòng)邊界層的分離、減小換熱器流道的流動(dòng)阻力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了橢圓形彎曲渦流發(fā)生器的安裝方式與幾何結(jié)