Page 25 - 《真空与低温》2025年第5期

564 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

对空间环境模拟设备用温控底板的研究文献较少。 1.2 数学模型
由于空间环模设备温控底板所处的真空环境下换 1.2.1 传热模型
热方式与大气环境下存在较大区别，对其进行深入 几何模型已知，为了获得计算域内的速度场和
研究具有工程价值。基于热真空环境模拟试验设 温度场，需要求解流体连续性方程、动量方程和能
备背景和现有研究基础，本文拟采用数值及试验研 量方程，流固界面、固体内部及固体界面的耦合换
究相结合的方法，对应用于高真空环境的温控底板 热方程。考虑计算效率，在误差允许范围内简化模
传热特性开展研究。通过改变温控底板的几何参 型，进行以下假设：
数以及热物性参数，探究温控底板-试验件共轭传 （1）计算域流体与底板流道壁面之间无滑移边界；
热特性及温控底板温度均匀性等规律。 （2）忽略辐射传热的影响；
1 数值分析方法 （3）计算域流体为不可压缩流体，密度采用
Boussinesq 近似模拟，其余特性参数均为常量。
1.1 几何模型
连续性方程：
温控底板安装在真空环模设备内，其上安装/
放置试验件（热源），试验件（热源）发热功率恒定， ∂u i = 0 （1）
∂x i
温控底板流道通入设定温度的导热液，导热液与
动量方程：
流道发生对流传热，底板再通过热传导的方式对 ( ) ( )
∂ ρu i u j ∂p ∂ ∂u i
试验件（热源）进行控温。本文采用的温控底板结 = − + µ −ρu i u j +g （2）
′
′
∂x j ∂x ∂x j ∂x j
构如图 2 所示，主要结构参数与导热液物性参数
单相流体能量方程：
如表 1 所列。 ( ) ( )
∂ ρu j T f = ∂ µ λ f ∂T f （3）
∂x j ∂x j Pr ∂x j
底板 入口 出口 流道 h
300 20 10 固体能量方程：
∂ ( )
70 λ s ∂T s + Q = 0 （4）
ϕ3 ∂x i ∂x i
20
500 300 式中： ρ为流体密度； u为流速； p为流体压力； µ为动
力黏度； λ为热导率； g为重力； 为温度；Q 为内热
T
源功率。
热源
采用数据仿真计算软件，基于有限体积法对已
700
构建的几何模型进行数值求解。对流体动力学方程
采用二阶迎风离散格式建立离散方程组，用 SIMPLE
图 2 温控底板几何模型
算法进行求解，得到温度场、速度场和压力场。
Fig. 2 Geometric model of temperature control base plate
1.2.2 边界条件

数值计算中主要的边界条件类型有入口边界
表 1 底板主要结构参数和导热液物性参数
条件、出口边界条件和壁面边界条件。本文在计
Tab. 1 Main structural parameters of base plate and
算域流体入口处定义速度入口的边界条件，在入口
physical parameters of thermal control fluid
速度为变量时，采用的入口速度为 1 m/s、1.5 m/s、
特征参数 参数值
材料 6061Al 2 m/s、2.5 m/s、3 m/s，入口温度为−70 ℃，湍流方程
采用 RNG 的 k-ε 方程；出口边界条件选用自由出
底板尺寸（长×宽×高）/mm 700×500×20
流道横截面（宽×深）/mm 70×10 流边界；在温控底板的内外壁面、上置试验件等表
流道匝数 6/8 面处选用壁面边界条件，壁面设置为无滑移边界条
导热液运动黏度 μ/（m ·s ） 0.047 件，试件壁面热负荷为 300 W，其他壁面设置为绝
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2
−3
导热液密度 ρ/（kg·m ） 993.5 热壁面边界。
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导热液热导率 λ/（W·m ·K ） 0.105 1.2.3 网格划分及无关性验证
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导热液比热 c p /（J·kg ·K ） 1 240 对计算域进行四面体网格划分，如图 3 所示。
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