超临界CO_%282%29在冷板中的传热特性数值模拟.pdf

com29超临界CO2在冷板热特性数值模拟雷达技术超临界CO2在冷板中的传热特性数值模拟王旭，张娟，田柯，雷耀东，马楚成（陕西黄河集团设计研究所，陕西西安7 1 0 0 43）摘要：采用CFD技术，以超临界CO2为传热工质，研究其在冷板内的传热特性。通过对比不同工质、不同入口速度u及不同质量流量q在冷板内的传热效果，分析不同流动参数和热边界条件对冷板表面传热系数h的影响，确定合适的超临界CO2冷板入口条件。研究结果表明：在7.5MPa的临界压力下，满足一定的热边界条件和入口条件，超临界CO2为传热工质的冷板表面传热系数h是纯水等为传热工质的2 8 倍；在所研究的入口温度T范围内，为使超临界CO2的优越临界物性状态充分在冷板中保持，冷板入口温度T不能超过32，也不得低于准临界温度基础上5左右。关键词：超临界CO2；冷板；传热特性引言随着现代雷达技术的发展和功率器件制造技术的不断提高，大型相控阵雷达T/R功率组件、机载大功率发射机、星载T/R组件等都对冷却和热控提出了更高的要求，相较于强迫风冷冷却方式，强迫液体冷却对高功率组件有更高的冷却效率1-2 。液冷系统中用水、乙二醇水溶液及氟化液等作为冷却工质最为常见，而以超临近CO2为冷却工质并应用于有源相控阵雷达天线中的液冷系统的研究较少，特别是冷板，其作为液冷系统中保障T/R组件在许用温度范围内正常工作的重要零部件，对雷达天线正常运行发挥着至关重要的作用3-4。本文以冷板为研究对象，以超临界CO2为液冷系统的传热工质，根据超临界CO2在临界压力温度的热物理性质，研究超临界CO2在冷板内部的传热特性，并以纯水及6 5%乙二醇水溶液为传热工质进行对比，进一步确定冷板入口条件，为雷达天线阵面流体输配管网的热控参数做准备。1（CO2 白的热物性分析超临界CO，流体是一种高密度气体，兼有气体和液体的双重特性，即密度高于气体，接近液体，粘度与气体相似，远小于液体粘度，扩散系数接近于气体，约为液体的1 0 到1 0 0 倍，因此具有较好的流动性和传输特性5超临界流体在临界区附近的一个重要特征是，其热物理参数随温度和压力变化非常剧烈。如图1，图2，图3及图4分别为超临界CO2的比热容，密度，粘度及导热系数随温度和压力的变化曲线。作者简介：王旭（1 9 9 3），男，工程师，主要从事雷达天馈线结构和散热设计的工作。E-mail：2 6 458 8 0 552 q q30雷达技术超临界CO2在冷板口特性数值模拟H40735307.5MPa(/)&洋2520159.0MPa1011MPa15 MPa50-50100150200250300温度()图1超临界CO2比热容随温度和压力变化曲线10005800(u/果6009.0 MPa40011 MPa15 MPa2007.5MPa0工50100150200250300温度()图2超临界CO,密度随温度和压力变化曲线0.140.0001250.120.000100.100.000080.080.000069MPa9MPa0.060.0000411 MPa11MPa15 MPa15MPa0.000020.047.5MPa7.5MPa10.02050100150200250300050100150200250300温度()温度()图3超临界COz粘度随温度和压力变化曲线图4超临界COz导热系数随温度和压力变化曲线从图1 可以看出，在某一超临界压力下，随着温度升高，比热容发生剧烈变化，在某个温度值下达到最大值，称该最大值对应的温度点为准临界温度。可以看到，不同超临界压力下，对应该压力下的准临界温度是不同的，并且随着超临界压力的增大，比热容的峰值也呈现明显下降趋势，并且超临界压力的增大伴随准临界温度点呈现逐渐增大的趋势。通常当超临界流体温度低于准临界温度时，流体具有类液体性质，当流体温度高于准临界温度时，流体具有类气体性质。由图2，图3及图4可以看到，CO2的密度，粘度和导热系数的变化趋势相似。在某一超临界压力下，它们都随温度的升高而降低，并且在准临界温度点前后，物性急剧变化。在某一温度下，密度，粘度及导热系数随所给超临界压力的升高而增大。2物理模型及计算方法2.1物理模型本文所研究的冷板模型如图5所示，其中图5（a)为冷板内部流道图，图5（b）为冷板热源分布图。冷板尺寸为1 9 0 mm160mm15mm，流道高度1 0 mm，进出口圆形截面半径为4mm，内部由一条S型的矩形通道组成，矩形通道当量直径为1 0 mm。利用CFD软件进行热仿真，冷板材料选用铝6 0 6 1，导热系数是1 8 0 W/（mK），发热元件与冷板紧密贴合在一起（忽略接触热阻的影响）。31超临界CO2特性数值模拟雷达技术日二(a)冷板内部流道(b)冷板热源分布图图5冷板模型2.2计算方法根据牛顿冷却公式：q=h(Ts-T)(1)式中：q热流密度，W/m?；h-表面传热系数，W/mK；一Ts壁面温度,K;T一流体温度,K。由于表面传热系数h考虑了边界条件、流道表面形状、流体运动特性及流体热力学性质和输运性质等因素的影响，因此本文以表面传热系数h来衡量冷板换热的优劣。冷板表面传热系数h按如下公式进行计算：式中：Q传热量，W；t m对数平均温差，K；A-换热面积，m。2.3边界条件Qh=(2)AtmA以冷板的人口速度u、人口温度T、质量流量m以及热源的热流密度q为人口边界参数研究超临界CO2在冷板内的传热特性。选取超临界压力7.5MPa时的热物性参数。如表1 所示为人口边界条件取值表。表1入口边界条件取值表人口速度u/m/s0.40.60.81入口温度T/2526272829303132质量流量m/kg/s0.0240.0360.0480.060.0720.084热流密度q/kW/m?14284256由于超临界CO2在人口温度2 532 时，其对应温度的密度受温度影响变化比较剧烈，因此对于纯水或6 5%乙二醇水溶液在相同质量流量时，其对应流量下的入口速度如表2所示。表2 中，T代表人口温度，u代表人口速度，m代表质量流量，代表超临界CO2，代表纯水，代表6 5%乙二醇水溶液。32雷达技术超临界CO2在冷板口特性数值模拟H表2不同温度下超临界CO，对应同一流量下的入口速度入口温度T/2526272829303132质量流量m/kg/s人口速度u/m/s0.40.410.420.430.440.460.50.840.0240.310.2 80.60.610.630.640.660.690.751.250.0360.470.430.80.820.840.860.870.921.01.670.0480.620.571.01.021.051.071.111.161.242.090.060.7 80.7 11.21.231.251.291.331.391.492.510.0720.940.8 51.411.431.461.51.551.621.742.920.0841.090.993数值计算结果及传热分析3.1不同传热工质对冷板表面传热系数h的影响图6 所示为热流密度q=14kW/m，三种不同传热工质：超临界CO2、纯水和6 5%乙二醇水溶液，在同一流速下（入口速度u为0.6 m/s），冷板人口温度T与表面传热系数h的关系曲线。可以看到，对于超临界CO2，随着人口温度T的升高，冷板的表面传热系数h先是升高然后降低，在入口温度T为31 时，表面传热系数h达到最大值，这是因为当入口温度T小于超临界COz的准临界温度时，如入口温度T在2 52 8 时，超临界CO，吸收冷板热源的热量后并没有使其自身温度达到准临界温度，使冷板内超临界CO2的物性变化没有达到准临界温度时的优越热物性状态，也即没有利用准临界温度点附近高比热容这一热物性质，所以入口温度T在2 52 8 时，冷板的表面传热系数h小，当人口温度T接近准临界温度进入冷板时，工质吸收冷板内热源热量后温度上升至接近准临界温度点附近，使冷板的表面传热系数h急剧升高，让准临界温度点附近的优越热物性得以利用，而当人口温度T跨过准临界温度点时，随着超临界CO2吸收热量升温，使得其跨过了优越热物性的温度范围，所以冷板的表面传热系数h又急剧小。同时还可以看到，以纯水和6 5%乙二醇水溶液为传热工质时，人口温度33超临界CO2特性数值模拟雷达技术T在2 532，冷板的表面传热系数h分别约在40 0 0 W/mK及30 0 0 W/mK的范围内平稳波动，这是因为两者工质比热容在此温度范围内没有大的变化。超临界CO，纯水6 5%乙二醇水溶液20000018 00016000140001200010000800060004000200024252627282930313233人口温度T()图6热流密度q=14kW/m，不同传热工质的冷板人口温度T与表面传热系数h的关系曲线图6 中通过对比三种传热工质在冷板的传热特性可以发现，必须满足特定的人口边界条件，超临界CO2才能具有比纯水和6 5%乙二醇水溶液更优越的传热特性，否则会出现与纯水和6 5%乙二醇水溶液传热效果相当或劣于它们的传热效果。如图2 所示，人口温度T在2 5时，超临界CO2与6 5%乙二醇水溶液的换热效果相当；人口温度T在2 8 和32 时，超临界CO2与纯水的换热效果相当；在2 8 入口温度T32时，超临界CO2具有非常大的表面传热系数h，在31 时，冷板表面传热系数h达到最大值约1 9 0 0 0 W/mK，是纯水冷板表面传热系数h的4.7 5倍，是6 5%乙二醇水溶液的6.33倍。图7、图8 及图9 所示为在同一流速下（入口速度u为0.6 m/s），三种不同传热工质分别在热流密度为q=28kW/m，q=42 k W/m，q=56 k W/m 时的冷板入口温度T与表面传热系数h的关系曲线。可以发现，以超临界CO为传热工质的冷板表面传热系数h随人口温度T变化的趋势相同，而不同的是超临界CO2优于其它两种传热工质的冷板入口温度条件发生了变化。图7 中，热流密度q=28kW/m，冷板人口温度T为2 5时，超临界CO与纯水的传热效果相当；人口温度T为32 时，超临界CO2的传热效果劣于其它两种工质；在2 5口温度T31.5时，超临界CO2的传热效果优于其它两种工质；在31 时，以超临界CO，为工质的冷板表面传热系数h达到最大值约1 8 0 0 0 W/mK，是纯水冷板表面传热系数h的4.5倍，是6 5%乙二醇水溶液的6 倍。图8 中，热流密度q=42kW/m，冷板入口温度T约31.5时，超临界CO，与纯水的传热效果相当；人口温度T为32 时，超临界CO2的传热效果劣于其它两种工质；在2 5入口温度T30时，超临界CO2的传热效果劣于其它两种工质；在2 5人口温度T29时，超临界CO的传热效果优于其它两种工质；在2 52 6 时，以超临界CO，为工质的冷板表面传热系数h达到最大值约7 0 0 0 W/mK，是纯水冷板表面传热系数h的1.7 5倍，是6 5%乙二醇水溶液的2.33倍。34雷达技术超临界 CO2特性数值模拟超临界CO，纯水6 5%乙二醇水溶液200001800016000140001200010000800060004000200002425 2627282930313233入口温度T()图7热流密度q=28kW/m，不同传热工质的冷板入口温度T与表面传热系数h的关系曲线超临界CO，纯水6 5%乙二醇水溶液100008000600040002000024252627282930313233人口温度T()图8热流密度q=42kW/m，不同传热工质的冷板人口温度T与表面传热系数h的关系曲线超临界CO，纯水6 5%乙二醇水溶液7000r6 000500040003000200010002425262728 2930313233人口温度T()图9热流密度q=56kW/m，不同传热工质的冷板人口温度T与表面传热系数h的关系曲线3.2不同入口速度u对冷板表面传热系数h的影响图1 0 所示为不同人口速度u下，人口温度T与冷板表面传热系h在不同热流密度时的关系曲线。由图1 0 可以看到，在热流密度q一定时，人口速度u从0.4m/s提高到1 m/s时，分别以超临界CO2和纯水为传热工质的冷板表面传热系数h随着入口速度u的增大呈现不同程度的增加。以纯水作为工质在所讨论的热流密度q及人口温度T的范围内，入口速度u35超临界CO2在冷板中的传热特性数值模拟雷达技术=0.4m/s时，冷板表面传热系数h约为2 8 0 0 W/mK；人口速度u=0.6m/s时，冷板表面传热系数h约为40 0 0 W/mK；入口速度u=0.8m/s时，冷板表面传热系数h约为550 0W/mK；人口速度u=1m/s时，冷板表面传热系数h约为7 0 0 0 W/mK。而以超临界COz作为工质，热流密度q=14kW/m，人口速度u=0.4m/s时，在2 7 入口温度T31.5范围内，冷板表面传热系数h高于纯水作为传热工质时的表面传热系数h，当人口温度T为31 时，冷板表面传热系数h达到最大值约1 50 0 0 W/mK，是纯水作为工质的5.36倍；当人口速度u增大至1 m/s时，在2 9 人口温度T32范围内，冷板表面传热系数h高于纯水的，当入口温度T为31 时，冷板表面传热系数h达到最大值约2 1 0 0 0 W/mK，是纯水作为工质的3倍。超临界CO,热流密度q:q=14kW/mq=28kW/mq=42kW/mq=56kW/m纯水热流密度q：q=14 kW/mq=28 kW/mq=42 kW/mq=56 kW/m40000m入口速度人口速度人口速度入口速度35000Fu=0.4m/su=0.6m/su=0.8m/su=lm/s30000250002000015000100005000262830322426283032424262830322426283032人口温度T()图1 0不同人口速度u下，冷板入口温度T与表面传热系数h在不同热流密度q时的关系曲线当热流密度q=28kW/m，以超临界COz作为工质，人口速度u=0.4m/s时，在2 5人口温度T31.5范围内，冷板表面传热系数h高于以纯水为工质的表面传热系数h，当入口温度T为2 9 时，冷板表面传热系数h达到最大值约6 0 0 0 W/mK，是纯水作为工质的2.14倍；当人口速度u增大到1 m/s时，在2 7 入口温度T31.5范围内，冷板表面传热系数h高于以纯水为工质的表面传热系数h，当人口温度T为31 时，冷板表面传热系数h达到最大值约36 0 0 0 W/mK，是纯水作为工质的5.1 4倍。当热流密度q=42kW/m，以超临界CO作为工质，人口速度u=0.4m/s时，在2 5人口温度T27范围内，冷板表面传热系数h高于以纯水为工质的表面传热系数h，当人口温度T为2 5时，冷板表面传热系数h达到最大值约41 0 0 W/mK，是纯水作为工质的1.5倍；当人口速度u增大到1 m/s时，在2 6 入口温度T31.5范围内，冷板表面传热系数h高于以纯水为工质的表面传热系数h，当人口温度T为31 时，冷板表面传热系数h达到最大值约340 0 0 W/mK，是纯水作为工质的4.8 6 倍。当热流密度q=56kW/m，以超临界COz作为工质，人口速度u=0.4m/s时，在2 5雷达技术36超临界CO2在冷板口特性数值模拟人口温度T32范围内，冷板表面传热系数h劣于以纯水为工质的表面传热系数h；当人口速度u增大到1 m/s时，在2 5入口温度T31.5范围内，冷板表面传热系数h优于以纯水为工质的表面传热系数h，当人口温度T为30 时，冷板表面传热系数h达到最大值约21000W/mK，是纯水作为工质的3倍。综上分析，当热流密度q一定，同一人口温度T条件下，冷板表面传热系数h随人口速度u增大而增大，但也需要满足一定人口边界条件，才能使冷板换热效果高于以纯水作为工质时的冷板换热效果。3.3不同质量流量m对冷板表面传热系数h的影响如图1 1 所示为不同热流密度q下，冷板入口温度T与表面传热系数h在不同质量流量m时的关系曲线。可以看到，在热流密度q一定，同一质量流量m下，以超临近CO2为工质的冷板随人口温度T变化对其表面传热系数h的影响趋势不尽相同；而在热流密度q一定，同一入口温度T下，随着质量流量m的增大，冷边表面传热系数h呈现不同程度的增大趋势。以纯水作为工质在所讨论的质量流量m及人口温度T的范围内，质量流量m=0.024kg/s时，冷板表面传热系数h约为2 1 0 0 W/mK；质量流量m=0.036kg/s时，冷板表面传热系数h约为330 0 W/mK；质量流量m=0.048kg/s时，冷板表面传热系数h约为440 0 W/mK；质量流量m=0.06kg/s时，冷板表面传热系数h约为550 0 W/mK，质量流量m=0.072kg/s时，冷板表面传热系数h约为6 50 0 W/mK质量流量m=0.084kg/s时，冷板表面传热系数h约为7 50 0 W/m.K。质量流量m：m=0.024kg/sm=0.036 kg/sm=0.048 kg/sm=0.06 kg/sm=0.072.kg/sm=0.084kg/s70000160000热流密度热流密度50000q=14kW/m2q=28kW/m240000K30000200001000002526272829.3031322526272829303132700001入口温度T()入口温度T(）六60000热流密度热流密度50000q=42kW/mq=56kW/m40000300002000010000025262728293031322526272829303132入口温度T()入口温度T()图1 1不同热流密度q下，冷板入口温度T与表面传热系数h在不同质量流量m时的关系曲线而以超临界CO作为工质，热流密度q=14kW/m，质量流量m=0.024kg/s时，在30.5入口温度T31.5范围内，冷板表面传热系数h高于纯水为工质时的表面传热系数h，当人口温度T为31 时，冷板表面传热系数h达到最大值约1 8 0 0 0 W/mK，是纯水作为工质的8.57 倍；当质量流量m增大至0.0 8 4kg/s时，在30 人口温度T32范围内，冷板表面传热系数h高于纯水为工质时的表面传热系数h，当人口温度T为32 时，冷板表面传热系数h达到最大值约6 2 0 0 0 W/mK，是纯水作为工质的8.2 7 倍。还可以发现，超临界COz作为工质，当入口温度T为32 时，质量流量m由0.0 2 4kg/s提高至0.0 8 4kg/s，冷板表面传热系数h明显提高了约7.5倍，其主要原因有两点：一是由于超临界CO2热物理37超临界 CO2特性数值模拟雷达技术性质状态达到了优越的物性状态，二是由于物性变化引起的密度变化，使在同一人口温度T下的人口速度u提升了3.5倍。随人口温度T变化，热流密度q从1 4kW/m增大到56 kW/m，可以看到，质量流量m=0.024kg/s时，冷板表面传热系数h几乎在1 7 0 0 W/mK左右，劣于纯水为工质时的传热效果，此时超临界CO2呈现出类似常物性的效果；质量流量m=0.036kg/s时，冷板表面传热系数h几乎在6 50 0 W/mK左右，较好于纯水为工质时的传热效果，此时超临界CO，同样也呈现出类似常物性的效果，说明了入口边界条件不匹配或不满足所需要换热的热源状况，使得超临界CO2的临界优越热物理性质未能得到发挥利用，传热效果不尽人意；当质量流量m从0.0 48 kg/s增大到0.0 8 4kg/s时，在2 5入口温度T31范围内，随人口温度T的增大，冷板表面传热系数h呈现不同程度的增大，当人口温度T从31 提高到32 时，冷板表面传热系数h呈现不同程度的减小，31 作为冷板表面传热系数h变化的分水岭，是因为31非常接近CO，超临界压力7.5MPa时对应的准临界温度31.7，在这一温度点附近，比热容急剧增大，密度、粘度、热导率变化剧烈，在临界点温度范围附近，超临界CO2具有小温变高恰差的特性，工质在此温度范围内可吸收或释放大量的热，所以具有极其优越的传热特性，而超过该温度范围时，超临界CO2的物性不再剧烈变化，传热表现出类似常物性工质的传热效果。4结论（1)超临界CO2在准临界温度范围附近比热容大，在满足一定的冷板热边界条件和冷板人口边界条件下，超临界CO2具有比纯水或6 5%乙二醇水溶液更优越的传热特性。（2）人口速度u的提高，可以强化冷板的换热效果。对于超临界CO2为传热工质的冷板，可以通过调节流速，使超临界CO2准临界温度范围附近的优越热物性状态更多的维持在冷板中，以达到强化冷板换热的目的；受超临界CO2准临界温度范围附近物性变化剧烈的影响，同一质量流量m，不同人口温度T下，引起冷板入口速度u的波动较大，冷板的换热效果不同。（3）为获得更好的冷板换热效果，冷板入口温度T不应高于32，但也不能低于准临界温度31.7 太多，以低于准临界温度45左右为宜，此时可以通过调节人口速度u或质量流量m获得比纯水或6 5%乙二醇水溶液更好的冷板换热效果。参考文献1王猛，刘卫刚，徐建军，等.某微型监视雷达的结构及散热设计J.电子机械工程，2 0 1 6，32(6):18-28.2王猛，刘卫刚，赵冬竹.微通道冷板的加工工艺及散热性能研究J.电子机械工程，2 0 1 7，33(5):43-46.3唐宝富，钟剑锋，顾叶青.有源相控阵雷达天线结构设计MI.西安：西安电子科技大学出版社，2 0 1 6.4王从思，宋正梅，康明魁，等.微通道冷板在有源相控阵天线上的应用J.电子机械工程，2013,29(1):1-4.5马一太，李敏霞，田华，等.自然工质二氧化碳制冷与热泵循环原理的研究与进展M.北京：科学出版社，2 0 1 7.