案例-基于Fluent的热固耦合分析

设计和开发新型高效的微通道铍钯铜复合材料中子靶系统，利用液体冷却技术解决铍钯铜复合材料的散热问题．运用Fluent和StaticStructual仿真软件中湍流模型和有限元分析方法，对比分析不同结构的铍钯铜复合材料中子靶系统的流场及其热应力分布，优化设计结构紧凑、换热性能好的微通道铍钯铜复合材料中子靶系统．

铍钯铜复合材料中子靶系统是中子捕获疗法的关键设备之一，此设备主要由铍、钯、铜３种材料组成．其中，铍为最外层中子靶材料，钯为中间材料，铜为最里层散热器材料．为了消除铍和中间材料钯面上热负荷所产生的热量，在铜散热器内放置了冷却水通道．将高速循环冷却水通入冷却水通道，利用核沸区的热传递有效地冷却目标系统，从而解决高热流密度下中子靶系统靶面的散热问题．中子靶系统的水冷主要采用冷却流道内液体将热量带走的主动冷却方式，该过程包括流体的流动和传热．装置本身的热传导和流体与装置交界面的传热属于典型的热固耦合传热问题，而流热固耦合问题属于计算流体动力学CFD的范畴．本文利用ANSYS分析软件研究该装置的流热固耦合问题，结合Fluent和StaticStructual软件对目标系统不同结构的温度场和热应力进行了热固耦合对比分析，进而确定了铍钯铜复合材料中子靶系统的最终结构形式．

中子靶系统基本结构和物性参数

１．１　几何结构和流道模型

中子靶系统主要由３部分组成：能量转换片、中间层、冷却系统，结构示意图如图１所示．能量转换片材料为纯铍，中间层材料为纯钯，冷却系统材料为铬锆铜，材料示意图如图２所示．其中，纯铍层为受热面，直径为120ｍｍ，厚度为5.5ｍｍ，热源加载到纯铍层直径120 ｍｍ 的圆内；纯钯层直径为120ｍｍ，厚度为0.5ｍｍ．

冷却系统由上部筒体罩、中间压板、下部换热冷却板组成，冷却系统内通入去离子水对中子靶系统进行降温，流道分布如图３所示．本文仿真不同结构模型：结构一为铍层、钯层中间切缝，如图４所示；结构二为铍层、钯层边缘切45°斜坡，如图５所示．

图１中子靶系统结构示意图

图２中子靶系统材料示意图       图３中子靶系统流道分布

图４ 铍层、钯层中间切缝结构      图５铍层、钯层边缘切45°斜坡结构

１．２　加载热源

本分析热量主要是进水的温度20℃

１．３　材料物性参数

表１　中子靶系统材料物性参数

表２　纯铍和铬锆铜线膨胀系数随温度变化

表３　各层材料热性参数

２　数学模型

耦合传热主要体现在流固交界面热传导和热对流的耦合，交界面的流体与结构相互作用．此处边界条件由动态换热决定而不能预先设定，必须联立求解．主要有流体控制方程，固体导热方程、热应力应变方程、耦合方程。由于不是做论文，就忽略方程介绍。感兴趣的话可以自行搜索一下。

３　中子靶系统温度场仿真分析

３．１　网格划分

纯铍层切缝结构和无切缝结构的温度场仿真计算网格均通过WorkbenchMesging软件进行划分，整体采用非结构化网格．为了兼顾求解的计算量和计算精度，本文最终确定切缝结构网格如图所示；无切缝结构网格如图所示．

图７　温度场计算网格

３．２　边界条件

将去离子冷却水通入铜散热器内冷却水通道，进口水温为20℃，流速为10m/s，出口压力为大气压．

３．３　结果分析

纯铍层切缝结构的铍层靶面热流密度分布如图８a所示，最高热流密度为679.6Ｗ／ｃｍ^２，分布在铍层直径23-30ｍｍ 范围内，中间低，外围逐渐降低．纯铍层无切缝结构的铍层靶面热流密度分布如８ｂ示，最高热流密度为664.8Ｗ／ｃｍ^２，分布在铍层直径24-31ｍｍ 范围内，中间低，外围逐渐降低．纯铍层切缝结构的铍层靶面温度分布如图９ａ所示，最高温度为664Ｋ，温度分布不均匀，温差达268.9Ｋ，从最高温度处向内、外都呈逐渐降低的趋势．纯铍层无切缝结构的铍层靶面温度分布如图９ｂ示，最高温度为691.2Ｋ，温度均匀分布，温差达280.3Ｋ，从最高温度处向内、外都呈逐渐降低的趋势．

图８　靶面热流密度

图９　靶面温度分布

纯铍层切缝结构的冷却水冷却通道中心截面温度云图如图１０ａ所示，最高温度为330.6Ｋ；纯铍层无切缝结构的冷却水冷却通道中心截面温度云图如图１０ｂ所示，最高温度为322.1Ｋ．纯铍层切缝结构和无切缝结构的冷却水冷却通道中心截面速度矢量云图如图１１所示．

图１０　冷却通道中心截面温度

图１１　冷却水通道中心截面速度矢量分布

４　中子靶系统热应力仿真分析

因为流场对结构的应力影响微乎其微，所以将其忽略，主要研究温度场对结构的热应力作用．将Fluent中计算的温度数据加载到StaticStructual中进行热应力分析．

４．１　网格划分

纯铍层切缝结构和无切缝结构的应力场计算网格也通过WorkbenchMeshing软件进行划分，整体采用非结构化网格．如图１２ｂ所示．

图１２　应力场计算网格

４．２　结果分析

纯铍层切缝结构的铍层表面正应力和切应力分布分别如图１３ａ和图１４ａ所示，最大正应力为253.2ＭＰａ，最大切应力为435.54ＭＰａ．纯铍层无切缝结构的铍层表面正应力和切应力分布分别如图１３ｂ和图１４ｂ所示，最大正应力为5.08ＭＰａ，最大切应力为154.67ＭＰａ．

图１３　铍层表面正应力分布

图１４　铍层表面切应力分布

纯铍层切缝结构切缝处的正应力和切应力分布如图１５所示．可以看出：热源靶面正应力出现在纯铍层切缝处，x 轴方向正应力最大值为1105.2MPa；热源靶面切应力出现在纯铍层切缝处，yz 面切应力最大值为504.6MPa．纯铍层无切缝结构边缘层的正应力和切应力分布如图１６所示，正应力最大值为41.652MPa，最大切应力为184.6MPa．

图１５　切缝结构纯铍边缘层正应力、切应力分布

纯铍层切缝结构的整体变形分布如图１７ａ所示，整体变形量为0.18369mm；纯铍层无切缝结构的整体变形分布如图１７ｂ 所示，整体变形量为0.15778ｍｍ．

图１７　整体变形分布

５　总结

１）铍层边缘有倒角无切缝结构比切缝结构的温度场分布更均匀．

２）无切缝结构的铍层表面正应力和切应力相比切缝结构的要小很多，无切缝结构符合铍钯铜复合材料的应力范围．

３）无切缝结构的整体变形量相比切缝结构的要小．

４），无切缝结构局部应力符合铍钯铜复合材料的应力范围．

综上所述，通过对比２种结构的温度场和热应力场分布数据可以明确，铍钯铜复合材料中子靶系统的最终结构选为铍层边缘有倒角无切缝结构．

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