高热流密度热沉散热能力数值仿真分析

杨 雪,吕坤鹏,唐晓军,梁兴波

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)

1 引 言

在高功率固体激光器中,增益介质作为关键部件,在受到高功率泵浦光照射的情况下,其内部会产生大量的热,导致各种热效应,使光束质量下降,激光出光功率降低,更为严重的可能导致增益介质炸裂[1-4]。近年来,板条固体激光器迅猛发展,然而,板条热效应成为制约其发展的一个重要因素,对其进行有效地冷却才能保证固体激光器的正常运行。本文的研究对象为板条晶体散热热沉,为了消除板条热效应,采用微通道热沉进行散热,将热沉焊接在板条两个侧面,以提高散热效率。

国内外学者对热沉微通道的研究主要专注于微通道结构、尺寸、形状等的优化设计[5-11]。Husain A[5]等人对微通道内流体的流动特性进行研究,提出了改变微通道的深宽比有助于提高散热能力。刘刚[6]等人对叠片式微通道进行数值仿真,提出了减小微通道的特征尺寸,可以降低热阻。虽然国内外学者通过数值仿真和实验对微通道热沉散热得出一些结论,但是由于热沉结构和尺寸存在差异,可比性较差,并且考虑因素单一。本文不仅仅针对热沉材料不同的几何参数,包括热沉基底厚度、肋片高度、肋片宽度、肋片间距,建立了理论模型,还对优化后的热沉结构施加不同的外部流量条件,借助数值仿真方法分析了该微通道热沉的散热效果。

2 微通道热沉结构模型的建立与基本理论

2.1 模型建立

常规板条晶体热沉如图1所示,冷却水采用单向方式流入微通道热沉。……