1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
低温应用的大功率器件需要设计高冷却效率的液冷室结构。采用计算流体动力学（CFD）方法模拟了以液氮-氮气两相流为制冷剂的空腔结构、微通道结构和扰流柱结构的流动与传热过程。结果表明，相比于空腔结构和微槽道结构，扰流柱结构具有较好的换热能力。圆形扰流柱易发展45°方向支流，而方形扰流柱结构有利于垂直方向流速均匀化。相较于平行排布，扰流柱交错排列时圆形和方形扰流柱结构中流速分布更为均匀。对比对流换热系数发现，交错排布优于平行排布，方形扰流柱优于圆形扰流柱。换热效果最好的结构为交错排布的2 mm方形扰流柱，对流换热系数为4223 W/(m2·K)，较空腔结构提高125.83%。采用上述结构进行测试验证，在107.6 W加热功率工况下冷头测温点温度与相同功率下仿真结果有较好的对应性。
大功率器件 扰流柱 两相流 对流换热系数 high-power devices pin-fin two-phase flow convective heat transfer coefficient 红外与激光工程
2022, 51(10): 20220085
1 安徽建筑大学环境与能源工程学院, 安徽 合肥 230601
2 合肥工业大学汽车与交通工程学院, 安徽 合肥 230009
在密闭狭小空间,散热问题是制约大功率LED在汽车大灯领域发展的因素之一。提出了一种用于汽车LED大灯的以铜粉为烧结芯的平板微热管组散热装置,针对车灯运行的不同工况,研究了热阻、环境温度及翅片组上的对流换热系数等参数对散热器性能的影响,最后进行了微热管车灯散热实验。结果表明:正常工作环境下,当LED灯的功率为60 W时,LED结点温度为67 ℃,散热器的热阻稳定在0.61 K/W;复杂环境和高功率工况下,LED结点温度都低于120 ℃,在翅片上的对流换热系数大于80 W/(m
2·K)后,LED结点温度趋于平稳。同时,实验验证了散热器的性能,在输出功率为50 W的情况下,热管式散热器LED结点温度为58 ℃,说明该新型热管式散热器能满足汽车LED大灯散热的要求。
光学器件 LED大灯 热管 结点温度 对流换热系数 激光与光电子学进展
2018, 55(11): 112301
为了分析喷流冷却技术对薄片激光器的冷却效果，从湍流换热理论出发，定义了评定喷流冷却换热能力和冷却均匀性的两个参数: 面均对流换热系数和平均最大温差。利用ANSYS CFX流体力学仿真软件，建立喷流冷却的物理模型，对多种喷板结构进行求解计算。设计加工了整套喷流冷却实验装置，并进行了模拟热源喷流冷却实验。分析结果表明，喷流冷却换热能力和冷却均匀性主要受喷板结构参数的影响，仿真计算结果可以定性地指导喷板结构参数的优化设计。
薄片激光器 喷流冷却 对流换热系数 湍流仿真 disk laser jet cooling heat transfer coefficient turbulence simulation 强激光与粒子束
2014, 26(1): 011003
1 天津工业大学 电工电能新技术天津市重点实验室， 天津300387
2 天津工业大学 大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心， 天津300387
提出了一种在第三类边界条件下，根据LED灯瞬态温度场的变化规律，通过对其表面温度的实际数值测定来推算LED灯表面对流换热系数的快速测定方法。基于对流热平衡理论，设计了一种可以在较高表面换热强度条件下进行测试的装置，通过实验测定LED灯上下表面的温度，结合曲线拟合对实测数据进行数理分析，得到较宽范围内的表面对流换热系数。实验结果表明:该测试方法简单、实用，测试时间较短(实验准备与数据测定大约需要30 min)，测试精度较高(数据拟合误差不高于0.2%)，可靠性强，可以用于工程热设计等多种相关发热体表面对流换热系数的测定。
表面温度 表面对流换热系数 对流热平衡 曲线拟合 工程热设计 surface temperature surface convection thermal transfer coefficient convection thermal balance curve fitting engineering thermal design
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心， 四川 绵阳 621900
2 国防科学技术大学 理学院， 长沙 410073
为提高固体激光器的热管理效果，提出了一种使用316L不锈钢片代替激光晶体评估固体激光器表面对流换热系数的方法。在低冷却水温的条件下，使用快响应热电偶对替代片和出口水流的动态温度进行测量，应用有限元方法计算不同对流换热系数下替代片的动态温度,讨论了对流换热系数对重频大能量激光器热效应的影响。通过寻找测量值和计算值的最小方差，得到该冷却结构下的激光器表面对流换热系数为3 500 W·m-2·K-1。
固体激光器 热管理 对流换热系数 激光放大器 有限元分析 solid-state lasers thermal management surface heat transfer coefficient lasers amplifiers finite-element analysis
国防科学技术大学 光电科学与工程学院， 长沙 410073
介绍了射流水冷技术并将其应用到高能激光器反射镜的冷却中，设计了射流式水冷镜。采用计算流体力学的方法，利用通用有限元软件ANSYS的流体分析模块FLOTRAN对单孔内射流进行了数值模拟，详细讨论了各孔参数对换热性能的影响，实现了孔参数的优化。结果表明:在水冷镜中采用射流技术可以获得很好的对流换热效果，换热系数可达100 kW/(m2·K)以上，且具有结构简单、可控性强等特点。
激光器 水冷镜 射流水冷技术 对流换热系数 计算流体力学 lasers water cooled mirror jet cooling technology convective heat transfer coefficient computational fluid dynamics
1 四川大学电子信息学院，四川 成都 610064
2 成都莱普科技有限公司，四川 成都 610041
3 成都东骏激光有限责任公司，四川 成都 611630
针对Nd∶YAG棒刻螺纹是否能改善激光器的输出，理论上分析了Nd∶YAG晶体棒内热传导过程及影响其冷却效果的因素。给出了表面刻上螺纹后，Nd∶YAG晶体棒表面积的变化结果和其对表面冷却换热方式的改变。对使用螺纹棒的激光器输出进行了实验研究，与普通棒的实验结果对比发现：用螺纹棒比用普通棒时平均功率大了23．2%，发散角小了3mrad。说明激光棒的表面刻槽可以提高冷却效果，有效地提高了激光器的输出。
固体激光器 螺纹棒 对流换热系数 远场发散角 焦斑法 solid-state laser grooved rod convective heat-transfer coefficient far-field divergence angle focus spot method
国防科学技术大学光电科学与工程学院 定向能技术研究所， 湖南 长沙 410073
高功率双包层光纤激光器的热效应严重制约光纤激光器的输出功率和光束质量。首先通过求解热传导方程得到简化情况下的温度解析解;然后，利用有限元方法对不同情况下的温度分布进行模拟计算。通过模拟计算得到：外包层聚合物材料的热传导系数对光纤的温度分布影响较小，因而在近似计算时可以认为纤芯及内、外包层热传导系数相等;外包层表面的对流换热系数对温度分布影响较大，增大对流换热系数，可以有效地降低光纤激光器的热效应;外包层光纤半径的大小对光纤激光器的温度分布也有影响。所得的结果为设计实现千瓦级光纤激光器提供了参考。
激光器 双包层光纤激光器 温度分布 有限元方法 对流换热系数
