COIL压力恢复系统气流主动冷却技术数值模拟

　　在引射式压力恢复系统中,要提高其核心部件引射器的引射效率,除了提高引射器设计水平外,另外一种有效途径就是提高引射气体温度,并降低被引射气体温度[1-3]。如果把光腔出口气流温度从500 K降低到200K,引射效率就可以提高1.6倍左右,这将大大减少引射气体的用量,从而减小整个系统的尺寸。在以前的引射式压力恢复系统中,没有采取措施来主动冷却光腔出口气流,为了进一步提高压力恢复系统的性能,考虑在系统中加入高效率、低阻损热交换器,以降低光腔出口气流的温度。验证压力恢复系统气流主动冷却技术的切实可行性,关键即验证热交换器是否达到了高效率和低阻损要求。

　　氧碘化学激光器(COIL)压力恢复系统热交换器的工况十分特殊,混合气体在热交换器入口的压力低至1 333 Pa,温度高达500 K,密度为0.003 6 kg/m3,设计要求将混合气体的温度降低到200 K以下,而热交换器段的压力损失不超过133 Pa。特殊的工况使得很难找到合适的试验关联式计算热交换器的传热和压损。因此,本文主要通过对热交换器进行数值模拟来验证热交换器用于光腔出口气流降温的可行性,并通过比较不同条件下热交换器性能的差异,指出对其进行优化设计的方向。

　　1　热交换器设计技术

　　热交换器利用两种流体的传热实现改变和控制温度,其性能指标主要有两点:传热系数和压力损失。根据热交换器的工作条件,选定管翅式热交换器来降低气流温度。常见的管翅式热交换器的换热管有圆管翅片管和椭圆翅片管两种,如图1所示。前者制造相对简单,但在换热能力和压损性能上,均比椭圆翅片管要差[4-5]。

　　由于热交换器的管外压力约为1 333 Pa,内管压力远大于此,可以不考虑椭圆管承压能力差的问题,因此本研究针对椭圆翅片管展开。

　　热交换器的传热包括对流换热和流体、固体各自内部的热传导,因此除了基管型式、换热管排列方式、翅片参数等结构因素外,外流条件如气流速度、密度对热交换器性能也有很大影响。为了使热交换器性能达到要求的技术指标,需要对影响热交换器性能的各个因素进行模拟分析,从而找到合适的设计方案。

　　2　工况条件及数值模拟方法

　　2.1　工况条件

　　激光器光腔出口气流由氧气、氦气、水蒸气、碘蒸气、氯气和氮气组成,经过扩压器降速增压后,混合气体压力约1333 Pa,温度约500 K,气流速度约48.5 m/s,密度约0.003 6 kg/m3,此时可用理想气体公式计算气体的性质:其中氧气的质量分数最大,接近总质量的一半;氦气的质量分数也相对较高,氦气的摩尔分数比其它气体都大很多,它的热导率也比其它的气体要大近一个量级,这有利于混合气体的传热。