[发明专利]大型板式热沉的CFD结构优化方法

说明书

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。

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，需要设计出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；