二极管泵浦固体激光器（DPSL）主动冷却系统的瞬态特性研究

In this project, the method and mechanism of mechanically pumped micro-channel evaporate cooling system for DPSL are to be investigated, and the transient characteristic of the components are to be analyzed, aiming at studying the response of the initial state of the accumulator in coupled with the system working point, and the characteristics of the system at different working conditions and performances. According to both the fundamental of various disciplines including the theory of heat transfer, thermodynamics, multiphase fluid mechanics, contrology et al and the guiding ideology of cross-disciplines, the working mechanism of cooling system for DPSL under various environmental temperature are to be studied and the coordinated response theory will be explored by the combined method of theoretical analysis, numerical simulation and experimental study. The transient characteristic of the pumped cooling system are to be perfected，by the way of establishing the mathematical model of the cooling system，and optimizing the control method of the evaporator working point temperature, and exploring the influence mechanism of the accumulator performance and system working point, and looking for a high precision, fast response and high energy efficiency ratio control method of the accumulator temperature, and analyzing the response rules of the system pressure, the liquid rate, the working environment at start-up stage and stable operation stage. Based on the research achievements of this project, the practical application of the pumped phase-change cooling system in the field of high heat flux cooling can be supported theoretically and technically.

泵驱动微通道相变散热技术是目前较为先进的固体激光器冷却技术，本项目针对该技术在实际应用过程出现的热源启动和冷却系统系统匹配、系统瞬态运行等问题进行研究，分析系统各部分参数对瞬态性能的影响，探究储液器初始状态参数和系统启动以及稳定运行工作点控制的耦合关系，研究冷却系统在不同工况和不同工作环境下的运行性能。通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，通过建立泵驱动DPSL冷却系统的数学模型，优化蒸发器工作点温度的控制方法，探索储液器性能对系统工作点温度的影响机理，寻找精度高、响应快以及能效比高的储液器的控温方法，分析系统压力、充液率、工作环境对系统启动和稳定运行特性的影响，提出完善的泵驱动DPSL冷却系统的瞬态工作特性的规律。基于项目研究成果，为泵驱动相变冷却系统在激光器等高热流密度散热领域的实际应用提供理论和技术上的支持。

本项目针对二极管泵浦固体激光器（DPSL）工作过程中的热效应以及目前冷却系统所存在的主要问题，设计出泵驱动复叠式实时和储能两种主动式相变冷却技术，设计新型的有节流限制结构的微通道热沉作为系统的散热器，为DPSL热控技术的发展和实际应用提供理论和技术上的支持。项目主要研究内容和重要结论有：建立DPSL主动冷却系统工作点控制的数学模型，用稳态分析的方法对系统储液器的影响特性、蒸发器工作性能、系统充装量和运行特性以及系统工质的选择原则进行了研究。储液器内温度压力的控制是系统工作点温度压力控制的关键，固定的热源功率时，储液器内的压力波动随系统的初始压力的增大而降低。建立DPSL启动特性瞬态运行以及稳定运行的模型。在常温、高温和低温环境中，测试系统的瞬态特性，随着启动流量的增加，系统的压力和温度波动增大，系统的总压降也随着流量的增大而增大。热源启动引起的压力波动随储液器初始压力的升高而降低。在稳定运行阶段，由于相变冷却系统工作特性和工质特性，储液器压力越低，蒸发器出口温度波动越大。当储液器压力超过某临界值时，蒸发器出口温度出现剧烈震荡，几乎无法维持恒定的出口温度。提出一种改进的微通道蒸发器通道结构。为抑制微通道沸腾换热产生的剧烈温度压力波动并提高微通道沸腾换热能力，结合空化理论，在微通道的入口设置节流结构，固定微通道内沸腾相变的起始点，通过数值计算和实验测量得出，在微通道入口处设置节流结构可以有效的抑制蒸发器进出口的温度压力波动。并且能使微通道内相变流动的起点稳定在节流结构处，在节流结构的下游能稳定的出现气泡流的两相流型。研究结果为设计高精度的DPSl冷却系统的微通道蒸发器提供了重要的理论和实验基础。并以此为基础设计带有入口节流装置的微通道换热器，换热器入口处制冷剂温度对换热器表面温度的影响是线性的。随着流量的增加，换热器表面温度下降，即系统换热受到显热换热的影响。