同步辐射前端挡光元件弯曲冷却管道对流传热分析

【作者】 金建峰； 肖维灵； 陈海波；

【机构】 中国科学技术大学近代力学系中科院材料力学行为和设计重点实验室；

【摘要】 承受高热负载的第三代同步辐射前端挡光元件,以冷却水流经管道进行强迫对流来带走被挡同步辐射光所产生的热量。管道的对流换热系数和阻力特性(或压力降)是反映对流传热性能的重要指标,同步辐射装置对此都有严格的量化要求。我国的上海同步辐射光源(SSRF)要求:在前端换热管道压力降为2×105Pa的正常情况下,对流换热系数不小于15000W/(m2K)。本文针对上海同步辐射光源Wiggler光束线的前端Mask1挡光元件和Undulator光束线的前端Mask2挡光元件的冷却管道,建立精细有限元模型,模拟管内三维湍流流动,得到不同流速下的对流换热系数和阻力特性。数值模拟结果表明:1)两种元件的冷却管道对流换热系数差别不大,Mask2稍高。同时,当管道内冷却水流速达到2.6m/s,即流量为4.4L/min时,对应的对流换热系数为15000W/(m2K),同时压力降不大于2×105Pa,这满足SSRF给出的对流传热性能的设计指标;2)目前的前端弯曲管道有直角连接,在直角连接处压力降约占了整个管道的一半,说明此处明显增加了管道系统的阻力。为此,本文提出把直角连接改为圆弧过渡,经计算表明,这一改变虽然管道的对流换热系数变化不大,但总的压力降却比初始设计时降低了40%,具有明显的优化效果。另外,本文根据牛顿冷却定律设计了实验装置,测量了直角弯曲管道的一个典型代表段的对流换热系数,实验结果与数值模拟结果吻合良好,验证了采用数值方法模拟弯曲管道流动传热是可行的。..更多还原