بررسی عددی انتقال حرارت سه بعدی در کلکتور تقویت کننده موج رونده با توان ورودی 900 و 3000 وات

59,000تومان

توضیحات

دانلود و مشاهده قسمتی از متن کامل پایان نامه :

l

دانشكده‌ي مهندسی مکانیک

پايان نامه کارشناسي ارشد در رشته مهندسی مکانيک (گرايش تبديل انرژی)

بررسی عددی انتقال حرارت سه بعدی در کلکتور تقویت کننده موج رونده با توان ورودی 900 و 3000 وات

به کوشش
………..

استاد راهنما
دكتر علی اکبر گلنشان

دی ماه 1391

به نام خدا

اظهار نامه
اینجانب ………. دانشجوی رشته ی مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی دانشکده مهندسی اظهار می کنم که این پایان نامه حاصل پژوهش خودم می باشد و در جاهایی که از منابع دیگران استفاده کرده ام نشانی دقیق و مشخصات آن را نوشته ام. همچنین اظهار می دارم که تحقیق و موضوع پایان نامه ام تکراری نیست و تعهد می نمایم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهای آن را منتشر ننموده و یا در اختیار غیر قرار ندهم. کلیه حقوق این اثر مطابق با آیین نامه مالکیت فکری و معنوی متعلق به دانشگاه شیراز است.

نام و نام خانوادگی: م…..
تاریخ و امضا: 20/9/1391

سپاسگزاری

سرآغاز کار با یاد و توکل به خدا و توسل به ائمه علیهم السلام بود و اینک در پایان راه، سپاس و شکر خداوند واجب است پس خدای را به واسطه تمام الطافش شکر گزارم.
این کار به پایان نرسید مگر به واسطه حمایت های بی دریغ خانواده، پس بر خود لازم می دانم که سپاسگزار محبت ها و حمایت های ایشان در تمام طول زندگی باشم.
از استاد گرانقدر و معلم علم و اخلاق جناب آقای دکتر علی اکبر گل نشان که دلسوزانه و صبورانه در تمام مراحل این پایان نامه با راهنمایی های ارزنده خود مرا یاری نموده اند کمال تشکر و قدردانی را دارم.
از جناب آقای دکتر یعقوبی و جناب آقای دکتر جعفرپور اساتید بخش مهندسی مکانیک که مشاورت پایان نامه اینجانب را بر عهده گرفتند، کمال تشکر را دارم.
از آقای محمد هوشمند و کارکنان زحمتکش صنایع الکترونیک شیراز صمیمانه تشکر می کنم.
در پایان از همه عزیزانی که دعایشان بدرقه راه من بوده است سپاسگزاری می کنم.

چکیده

بررسی عددی انتقال حرارت سه بعدی در کلکتور تقویت کننده موج رونده با توان ورودی 900 و 3000 وات

به کوشش

……..

لامپ موج رونده یکی از انواع تقویت کننده های امواج مایکروویو می باشد. این لامپ از پنج قسمت اصلی تشکیل شده است که عبارتند از، تفنگ الکترونی، ساختار موج آهسته، کانکتورهای ورودی و خروجی موج، سیستم متمرکز کننده مغناطیسی و کلکتور. پرتو الکترونی منتشر شده توسط تفنگ الکترونی با عبور از ساختار موج آهسته، درصدی از انرژی خود را صرف تقویت موج مایکروویو نموده و مابقی آن را در برخورد با بدنه کلکتور به گرما تبدیل می نماید. کلکتور از یک بدنه داخلی تشکیل شده که توسط سرامیک هایی که وظیفه ایزولاسیون الکتریکی را بر عهده دارند از بدنه خارجی جدا شده است. هدف از پژوهش حاضر به دست آوردن توزیع دما در کلکتور و بهینه سازی حرارتی آن با توجه به سرامیک هایی است که دارای جنس های متفاوت می باشند. برخورد الکترون ها و توزیع توان بر روی بدنه داخلی کلکتور توسط نرم افزار شبیه سازی CST، و آنالیز عددی انتقال حرارت با استفاده از نرم افزار ANSYS-CFX با در نظر گرفتن ضریب هدایت حرارتی متغیر با دما برای سرامیک ها انجام گرفته است. در شبیه سازی، سرامیک ها از جنس های آلومینا ، برلیا و آلومینیوم نیترید درنظر گرفته شده و با یکدیگر مقایسه شده اند. توزیع دمای بهینه، در حالتی که از سرامیک برلیا به عنوان ایزوله کننده استفاده شود مشاهده گردیده و نتایج با استفاده از اندازه گیری دما در حالت کارکرد عملی اعتبارسنجی شده است.

فهرست

عنوان صفحه

1- مقدمه…..2
1-1-پیشگفتار 2
1-2-آشنايي با لامپ هاي مايكروويو 2
1-3- لامپ TWT 3
1-4-اهداف تحقیق 5
2- مروری بر تحقیقات پیشین……….9
2-1-پیشینه تاریخی 9
3- روش انجام تحقیق……….20
3-1- مقدمه 20
3-2- امتیازات محاسبات تئوری 20
3-3- نارسایی های محاسبات تئوری 22
3-4-هندسه 23
4- معادلات حاکم……..35
4-1- مقدمه 35
4-2- شرایط مرزی 36
4-3-معادلات حاکم 37
5- نتایج………..43
5-1- مقدمه 43
5-2-محل عبور خطوط 47
5-3-نتایج حاصل از شبیه سازی برخورد الکترون ها در نرم افزار CST 50
5-4-نتایج حاصل از شبیه سازی نمونه شماره 1 در نرم افزار CFX 52
5-4-1-جنس سرامیک از آلومینیوم نیترید با دمای پایه 40 درجه سانتیگراد (حالت 1) 54
5-4-2-جنس سرامیک از آلومینیوم نیترید با دمای پایه 50 درجه سانتیگراد (حالت 2) 57
5-4-3-جنس سرامیک از آلومینیم نیترید با دمای پایه 70 درجه سانتیگراد (حالت 3) 60
5-4-4-جنس سرامیک از آلومینیوم نیترید با دمای پایه 70 درجه سانتیگراد با حرارت ورودی میانگین گیری شده (حالت 4) 64
5-4-5-جنس سرامیک از آلومینیوم نیترید با دمای پایه 90 درجه سانتیگراد (حالت 5) 66
5-4-6-جنس سرامیک از آلومینا با دمای سطح کف پایه آلومینیومی برابر با 40 درجه سانتیگراد (حالت 6) 68
5-4-7-جنس سرامیک از آلومینا با دمای کف پایه آلومینیومی 50 درجه سانتیگراد (حالت 7) 71
5-4-8-جنس سرامیک از آلومینا با دمای کف پایه70 درجه سانتیگراد (حالت 8) 74
5-4-9-جنس سرامیک از آلومینا با دمای کف پایه آلومینیومی90 درجه سانتیگراد (حالت 9) 76
5-4-10-جنس سرامیک از آلومینا با دمای پایه 70 درجه سانتیگراد وحرارت ورودی میانگین (حالت 10) 79
5-4-11-جنس سرامیک از آلومینا با دمای پایه 70 وحرارت ورودی میانگین با هدایت حرارتی ثابت (حالت 11) 81
5-4-12-جنس سرامیک از برلیا با دمای کف پایه آلومینیومی 40 درجه سانتیگراد (حالت 12) 84
5-4-13-جنس سرامیک از برلیا با دمای کف پایه آلومینیومی 50 درجه سانتیگراد و استفاده از هدایت حرارتی ثابت (حالت 13). 86
5-4-14-جنس سرامیک از برلیا با دمای سطح زیرین پایه 50 درجه سانتیگراد و استفاده از هدایت حرارتی متغیر (حالت 14) 89
5-4-15-جنس سرامیک از برلیا با دمای سطح زیرین پایه آلومینیومی برابر با 70 درجه سانتیگراد (حالت 15) 91
5-4-16-جنس سرامیک از برلیا با دمای سطح زیرین پایه 70 درجه سانتیگراد با حرارت ورودی میانگین (حالت 16) 95
5-4-17-جنس سرامیک از برلیا با دمای سطح زیرین پایه برابر 90 درجه سانتیگراد (حالت 17) 98
5-4-18-جنس سرامیک از برلیا با دمای سطح زیرین پایه برابر 50 درجه سانتیگراد و بدون سیستم دیپرس( حالت 18) 100
5-4-19-جنس سرامیک از برلیا با دمای سطح زیرین پایه برابر 50 درجه سانتیگراد و بدون سیستم دیپرس در حالت زمانمند (حالت 19) 102
5-4-20-مقایسه توزیع دما در سرامیک بالایی. 105
5-5-اعتبار سنجی 106
5-6-نتایج حاصل از شبیه سازی نمونه شماره 2 در نرم افزار CFX 108
5-6-1-جنس سرامیک از آلومینا با دمای پایه 50 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی ثابت (حالت 20) 108
5-6-2-جنس سرامیک از آلومینا با دمای پایه 50 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی متغیر (حالت 21) 109
5-6-3-جنس سرامیک از آلومینا با دمای پایه 50 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی متغیر با توان ورودی میانگین (حالت 22) 110
5-6-4-جنس سرامیک از آلومینا با دمای پایه 50 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی متغیر با جنس پایه خنک کننده از مس (حالت 23) 112
5-6-5-جنس سرامیک از آلومینا و ضریب هدایت حرارتی متغیر و تماس سه وجه پایه با مبدل (حالت 24) 113
5-6-6-جنس سرامیک از برلیا با دمای پایه 50 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی ثابت (حالت 25) 114
5-6-7-جنس سرامیک از برلیا با دمای پایه 50 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی متغیر (حالت 26) 116
5-6-8-جنس سرامیک از برلیا با دمای پایه 50 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی متغیر با توان میانگین ورودی (حالت 27) 118
5-6-9-جنس سرامیک از برلیا و ضریب هدایت حرارتی متغیر و تماس سه وجه پایه با مبدل (حالت 28) 119
5-6-10-جنس سرامیک از آلومینا با دمای پایه 50 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی متغیر با مقاومت تماسی اندک (حالت 29) 121
5-6-11-جنس سرامیک از آلومینا با دمای پایه 50 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی متغیر با مقاومت تماسی زیاد(حالت 30) 121
5-6-12-جنس سرامیک از آلومینا با دمای پایه 50 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی متغیر با مقاومت تماسی زیاد و در نظر گرفتن تابش (حالت 31) 123
5-6-13-پوشش (کوتینگ) سرامیک ها با نیکل 125
5-6-14-جنس سرامیک از آلومینا با دمای پایه 50 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی متغیر در حالت بهینه. 126
5-7-جمع بندی و نتیجه گیری 127
5-8-پیشنهادات 129
6- مراجع……..130

فهرست جدول ها

عنوان و شماره صفحه

جدول 2-1 توان تلف شده در کلکتور TWT با روش های خنک کاری متفاوت ……….. 16
جدول ‏1 1 بررسی استقلال از شبکه نمونه شماره 1……….45
جدول ‏1 2 بررسی استقلال از شبکه نمونه شماره 2……….45
جدول 5-3 حالات حل شده در حل گر cfx……….51
جدول 5-4 دمای ماکزیمم کلکتور در حالات مختلف…..128

فهرست شکل ها

عنوان صفحه

شکل ‏1 1 ساختار یک لامپ TWT ]1 .[ 4
شکل ‏1 2- مسیر عبور الکترونها در یک لامپ TWT ]1 .[ 4
شکل ‏2 1- مش بندی تمام اجزا لامپ موج رونده ]6[. 10
شکل ‏2 2- گرید بندی ]7[. 10
شکل ‏2 3 توزیع دما در کلکتور ]8[. 11
شکل ‏2 4- تغییرات توان در راستای طول کلکتور]9[. 12
شکل ‏2 5-بازه توزیع دما در کلکتور ]9[. 12
شکل ‏2 6- توزیع دما در راستای شعاعی کلکتور]9[. 12
شکل ‏2 7- طول مشخصه L (پارامتر بهینه سازی) ]9[. 13
شکل ‏2 8- دمای بهینه شده ]9[. 13
شکل ‏2 9- دما بر حسب زمان ]9[. 14
شکل ‏2 10- بازه توزیع دما در کلکتور فین دار ]9[. 15
شکل ‏2 11-توزیع دما در کلکتور بدون فین]9[. 15
شکل ‏3 1- طراحی کلکتور 24
شکل ‏3 2- نمای سه بعدی کلکتور 25
شکل ‏3 3- پایه خنک کننده مربوط به کلکتور 25
شکل ‏3 4- نمای روبروی کلکتور و پایه ی آن 26
شکل ‏3 5- چهارنمای کلکتور 26
شکل ‏3 6- پوسته خارجی کلکتور 26
شکل ‏3 7-سرامیک جدا کننده پوسته داخلی و خارجی 27
شکل ‏3 8- نحوه قرار گیری سرامیک ها در کلکتور 27
شکل ‏3 9-پوسته داخلی کلکتور 28
شکل ‏3 10- نحوه قرارگیری پوسته داخلی 28
شکل ‏3 11 حلقه ی ابتدایی 29
شکل ‏3 12 حلقه ی انتهایی 29
شکل ‏3 13- قسمت انتهایی سیستم از جنس آلومینا 29
شکل ‏3 14: برش طولی از کلکتور به همراه اجزاء آن. 30
شکل ‏3 15: توزیع توان حاصل از برخورد الکترونها به بدنه داخلی کلکتور900 وات. 31
شکل ‏3 16- نمای سه بعدی از مش بندی 31
شکل ‏3 17 نمای مش بندی از بالا 32
شکل ‏4 1 تغییرات ضریب هدایت آلومینا با دما 38
شکل ‏4 2 توان ورودی و خروجی به لامپ 39
شکل ‏5 1- نمای کناری خط شماره ی 1 47
شکل ‏5 2-نمای روبروی خط شماره ی 1 47
شکل ‏5 3- نمای کناری خط شماره 2 48
شکل ‏5 4- نمای روبرو از خط شماره 2 48
شکل ‏5 5-نمای روبرو از خط شماره 3 49
شکل ‏5 6- نمای سه بعدی از خط شماره 3 49
شکل ‏5 7- نمای کناری خط شماره 3 49
شکل ‏5 8- صفحه عرضی 50
شکل ‏5 9- صفحه طولی 50
شکل ‏5 10- محل برخورد الکترونها در کلکتور 900 وات با دیپرس 51
شکل ‏5 11- محل برخورد الکترونها در کلکتور 900 وات بدون دیپرس 51
شکل ‏5 12- محل برخورد الکترونها در کلکتور 3000 وات با دیپرس 52
شکل ‏5 13 توزیع دما در صفحه عرضی در حالت 1 54
شکل ‏5 14-توزیع دما در صفحه طولی در حالت 1 55
شکل ‏5 15 دمای پوسته داخلی در حالت 1 55
شکل ‏5 16 توزیع دما بر خط 1 در حالت 1 56
شکل ‏5 17 توزیع دما بر خط 3 در حالت 1 56
شکل ‏5 18توزیع دما در خطوط 1 و 3 در حالت 1 57
شکل ‏5 19 توزیع دما در صفحه طولی در حالت 2 57
شکل ‏5 20 توزیع دما در صفحه عرضی در حالت 2 58
شکل ‏5 21 توزیع دما در حالت 2 58
شکل ‏5 22 نمای سه گانه در حالت 2 59
شکل ‏5 23 نمودار های توزیع دما در خطوط 1 و 3 در حالت 2 60
شکل ‏5 24 توزیع دما بر صفحات عرضی در حالت 3 60
شکل ‏5 25- کانتور دما در صفحه عرضی در حالت 3 61
شکل ‏5 26 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 3 61
شکل ‏5 27 توزیع دمای چهارکانه در حالت 3 62
شکل ‏5 28 توزیع دما بر روی خط شماره 1 در حالت 3 62
شکل ‏5 29 توزیع دما را بر روی خط شماره 3 در حالت 3 63
شکل ‏5 30 خط شماره 4 63
شکل ‏5 31 توزیع دما در خط شماره 4 در حالت 3 63
شکل ‏5 32 توزیع دما در خطوط 1 و 3 و 4 در حالت 3 64
شکل ‏5 33 توزیع دما در صفحه عرضی در حالت 4 65
شکل ‏5 34 کانتور دما در صفحه ی طولی کلکتور در حالت 4 65
شکل ‏5 35 کانتور سه نمای در حالت 4 66
شکل ‏5 36 توزیع دما در خط شماره 1 و 3 و 4 در حالت 4 66
شکل ‏5 37 توزیع دما در صفحه عرضی در حالت 5 67
شکل ‏5 38 توزیع دما بر خطوط 1و 3 و 4 در حالت 5 67
شکل ‏5 39 کانتور دما در صفحه عرضی در حالت 6 68
شکل ‏5 40 کانتور دما در صفحه عرضی در حالت 6 69
شکل ‏5 41 توزیع دما در پوسته خارجی در حالت 6 70
شکل ‏5 42 کانتور دمای پوسته ی داخلی و سطح پایین سرامیک بالایی در حالت 6 70
شکل ‏5 43 توزیع دما روی خط 1 در حالت 6 71
شکل ‏5 45 کانتور دما در صفحه ی عمود بر محور کلکتور در حالت 7 72
شکل ‏5 46 کانتور دما بر روی صفحه ی طولی در حالت 7 72
شکل‏5 47 توزیع دما در خط 1 در حالت 7 73
شکل ‏5 48 توزیع دما در خط شماره 3 در حالت 7 73
شکل ‏5 49 کانتور دما در صفحه ی عمود بر محور کلکتور در حالت 8 74
شکل ‏5 50 کانتور دما در راستای طولی در حالت 8 75
شکل ‏5 51 توزیع دما در خط 1 در حالت 8 75
شکل ‏5 52 توزیع دما در خط 3 در حالت 8 76
شکل ‏5 53 کانتور دما در صفحه ی عمود بر محور کلکتور در حالت 9 76
شکل ‏5 54 کانتور دما را راستای طول کلکتور در حالت 9 77
شکل ‏5 55 توزیع دما بر روی خط 1 در حالت 9 77
شکل ‏5 56 توزیع دما بر روی خط 3 در حالت 9 78
شکل ‏5 57 کانتور دما بر روی پوسته ی داخلی در حالت 9 78
شکل ‏5 58 کانتور دما در صفحه عرضی در حالت 10 79
شکل ‏5 59 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 10 80
شکل ‏5 60 کانتور دما در پوسته ی داخلی در حالت 10 80
شکل ‏5 61 کانتور دما در پوسته ی خارجی در حالت 10 81
شکل ‏5 62 کانتور دما روی صفحه ی عرضی در حالت 11 82
شکل ‏5 63 کانتور دما در صفحه ی طولی در حالت 11 82
شکل ‏5 64 کانتور دما بر روی سطح بالایی سرامیک بالایی در حالت 11 83
شکل ‏5 65 توزیع دما در خط شماره 1 در حالت 11 83
شکل ‏5 66 کانتور دما در صفحه ی طولی در حالت 12 84
شکل ‏5 67 کانتور دما از نمای روبروی کلکتور و پوسته ی خارجی در حالت 12 84
شکل ‏5 68 کانتور دمای سرامیک بالایی (نمای بالا) در حالت 12 85
شکل ‏5 69 کانتور دما بر روی صفحه ی انتهایی کلکتور در حالت 12 85
شکل ‏5 70 نمودار توزیع دما بر روی خط شماره 1 در حالت 12 86
شکل ‏5 71 کانتور دما در صفحه ی طولی در حالت 13 86
شکل ‏5 72 توزیع دما بر روی قسمت شیب دار انتهایی کلکتور در حالت 13 87
شکل ‏5 73 کانتور های دمایی در حالت 13 87
شکل ‏5 74 کانتور دما در نمای بالا در حالت 13 88
شکل ‏5 75 کانتور دما بر روی پوسته ی خارجی و قسمت شیب دار در حالت 13 88
شکل ‏5 76 کانتورهای دما بر روی صفحات مختلف در حالت 14 89
شکل ‏5 77 کانتور دما در راستای طولی در حالت 14 89
شکل ‏5 78 کانتور دما بر روی پوسته ی داخلی در حالت 14 90
شکل ‏5 79 کانتور دما در پوسته ی خارجی در حالت 14 90
شکل ‏5 80 توزیع دما بر روی خطوط 1 و 3 در حالت 14 91
شکل ‏5 81 کانتور دما در صفحه ی عمود بر محور کلکتور در حالت 15 92
شکل ‏5 82 کانتور دما در صفحه ی طولی در حالت 15 92
شکل ‏5 83 کانتور دما بر روی صفحه ی مورب انتهایی کلکتور در حالت 15 93
شکل ‏5 84 کانتور دما در پوست ی خارجی در حالت 15 93
شکل ‏5 85 توزیع دما در خط شماره 1 در حالت 15 94
شکل ‏5 86 توزیع دما در خط شماره 2 (خط عمودی) در حالت 15 94
شکل ‏5 87 توزیع دما در خط شماره 3 در حالت 15 94
شکل ‏5 88 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 16 95
شکل ‏5 89 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 16 95
شکل ‏5 90نمای دوگانه در حالت 16 96
شکل ‏5 91 توزیع دما در خط شماره 3 (مورب) در حالت 16 97
شکل ‏5 92کانتور دمای حجمی در حالت 16 97
شکل ‏5 93 کانتور دما بر صفحه طولی در حالت 17 98
شکل ‏5 94 کانتور دما بر صفحه طولی در حالت 17 99
شکل ‏5 95 کانتور دما بر روی صفحات عرضی در حالت 17 99
شکل ‏5 96 کانتور دما در نمای بالا در حالت 17 100
شکل ‏5 97 نمودار توزیع دما در راستای طولی سرامیک بالایی در حالت 17 100
شکل ‏5 98 کانتور دما در صفحه عرضی در حالت 18 101
شکل ‏5 99 کانتور دما در صفحه طولی بدون دیپرس در حالت 18 101
شکل ‏5 100 شرایط اولیه 103
شکل ‏5 101 کانتور دما در صفحه طولی در 3.2 ثانیه 104
شکل ‏5 102 کانتور دما در صفحه طولی در 12.8 ثانیه 104
شکل ‏5 103 کانتور دما در صفحه طولی در 20.8 ثانیه 104
شکل ‏5 104 کانتور دما در صفحه طولی در 35 ثانیه 105
شکل ‏5 105 نمای سه بعدی از کلکتور و خط عبورکننده از سرامیک بالایی 105
شکل ‏5 106 توزیع دما بر راستای طولی سرامیک بالایی 106
شکل ‏5 107 اعتبار سنجی 106
شکل ‏5 108 نمای سه بعدی خط ماکزیمم دما 107
شکل ‏5 109 نمای روبروی خط ماکزیمم دما 107
شکل ‏5 110 نمای کناری خط ماکزیمم دما 107
شکل ‏5 111 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 20 108
شکل ‏5 112 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 20 108
شکل ‏5 113 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 21 109
شکل ‏5 114 کانتور دما در صفحه عرضی ماکزیمم دما در حالت 21 110
شکل ‏5 115 توزیع دما بر روی خط ماکزیمم دما در حالت 21 110
شکل ‏5 116 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 22 111
شکل ‏5 117 توزیع دما بر خط ماکزیمم دما در حالت 22 111
شکل ‏5 118 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 23 112
شکل ‏5 119 توزیع دما در خط ماکزیمم دما در حالت 23 113
شکل ‏5 120 کانتور دما در صفحه ماکزیمم دما در حالت 24 113
شکل ‏5 121 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 24 114
شکل ‏5 122 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 25 115
شکل ‏5 123 توزیع دما بر خط ماکزیمم دما در حالت 25 115
شکل ‏5 124 توزیع دما در پوسته داخلی، سرامیک ها و حلقه ی ابتدایی در حالت 25 116
شکل ‏5 125 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 26 116
شکل ‏5 126 کانتور دما در صفحه ماکزیمم دما در حالت 26 117
شکل ‏5 127 توزیع دما بر روی خط ماکزیمم دما در حالت 26 117
شکل ‏5 128 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 27 118
شکل ‏5 129 کانتور دما در سرامیکها و پوسته داخلی در حالت 27 119
شکل ‏5 130 کانتور دما در صفحه طولی با مبدل سه وجهی در حالت 28 120
شکل ‏5 131 کانتور دما در سرامیکها، پوسته داخلی و حلقه ابتدایی در حالت 28 120
شکل ‏5 132 کانتور دما در صفحه طولی با مقاومت تماسی اندک 121
شکل ‏5 133 کانتور دما در راستای طولی کلکتور در حالت 30 122
شکل ‏5 134 کانتور دما در صفحه ماکزیمم دما در حالت 30 122
شکل ‏5 135 کانتور دما در صفحه ماکزیمم دما بدون تابش 124
شکل ‏5 136 کانتور دما با در نظر گرفتن تابش 124
شکل ‏5 137 کانتور دما با در نظر گرفتن پوشش نیکل(کوتینگ) 125
شکل ‏5 138 کانتور دمای بهینه شده 126
شکل ‏5 139 دمای ماکزیمم کلکتور در حالات مختلف 128

فصل اول

1- مقدمه

1-1-پیشگفتار

امروزه امواج مایکروویو علاوه بر اینکه بیشتر از 60% سیستم های راداری را در بر می گیرد، در مواردی مانند ارتباطات هوانوردی، هواشناسی، دریا نوردی، ماهواره های ارتباطی، ماهواره های سنجش از راه دور، تشخیص پزشکی و وسایل صنعتی نقش عمده ای دارد ]1 .[
امواج مایکروویو پس از برخورد با یک ماده، یا منعکس می شوند، یا عبور می کنند، یا جذب ماده می شوند و یا ترکیبی از عبور و جذب و انعکاس امواج رخ می دهد. این امواج اگر به سطح فلزات برخورد کنند، منعکس خواهند شد، از شیشه و پلاستیک عبور می کنند و موادی که حاوی آب هستند، مانند غذاها و بدن انسان، انرژی این امواج را جذب و به حرارت تبدیل می کنند، لذا قرار گرفتن در معرض تابش مستقیم امواج ماکروویو می تواند موجب سوختگی های عمیق بافتی شود ]1 .[

1-2-آشنايي با لامپ هاي مايكروويو

لامپ مایکروویو اصطلاحا به دستگاهی گفته می شود که جهت تقویت، یا تولید و تقویت امواج مایکروویو بکار می رود. اولین لامپ مایکروویو در دهه ۱۹۳۰ در انگلیس ساخته شد و سپس از آن در ساخت و توسعه سیستم رادار در خلال جنگ جهانی دوم استفاده شد. لامپ‌ها برای تولید توان‌های بسیار بالا (۱۰ کیلو وات تا ۱۰ مگا وات) و فرکانس‌های بالای امواج میلی متری (۱۰۰ گیگا هرتز و بالاتر) لازم و ضروری می‌باشند]1[.
لامپ های مایکروویو انواع مختلفی دارند که از جمله آن ها می توان، لامپ مگنترون-(Magnetron)، لامپ کلایسترون (Klystron) و لامپ موج رونده (Traveling Wave Tube) که به اختصار TWT نامیده می شود، را نام برد. برخي از لامپ هاي مايكروويو فقط عمل تقويت را انجام مي دهند، مانند TWT و كلايسترون، و برخي ديگر مانند مگنترون، عمل توليد و تقويت سيگنال را همزمان به عهده دارند ]1 .[

1-3- لامپ TWT

این لامپ از سه قسمت اصلی؛ تفنگ الکترونی، ساختار موج آهسته و کلکتور تشکیل شده است (شکل ‏1 1). قسمت اول، یعنی تفنگ الکترونی (الکترون گان)، وظیفه ی گسیل کردن الکترون ها را به عهده دارد. الکترون ها پس از اینکه در قسمت گان تولید شدند، وارد قسمت دوم سیستم؛ ساختار موج آهسته؛ که در وسط آن هلیکس قرار دارد، می شوند. ازطرفی دیگر، موج RF را به وسیله ی کانکتور وارد هلیکس می کنند (کانکتور یکی از قسمت های نسبتا مهم TWT می باشد که بعد از هلیکس و قبل از کلکتور قرار دارد و وظیفه ی انتقال توان از هلیکس به بیرون را دارد). در هلیکس در اثر برهمکنش الکترون ها و موج RF، تقویت موج انجام می-شود. در این قسمت الکترون ها تنها بخشی از انرژی خود را به موج RF منتقل کرده و وارد قسمت سوم سیستم، یعنی کلکتور می شوند. در این قسمت الکترون ها باقیمانده انرژی خود را به کلکتور می دهند که این امر باعث افزایش دمای کلکتور می گردد. با توجه به ساختار پیچیده ی کلکتور و وجود مواد مختلف در آن و فرایندهای مختلف ساخت، تحلیل حرارتی کلکتور از اهمیت ویژه ای برخوردار است ]2 .[
لامپ هاي TWT بر اساس جفت شدن پرتو الكتروني با ميدان RF در ساختار موج آهسته (SWS) كار مي كنند. ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي مي بايست درفضاي داخل لامپ با يكديگر موازي باشند و در نتيجه حركت الكترون ها خطي و در امتداد محور هلیکس است، به همين دليل، اين نوع لامپ ها را لامپ هاي خطي نیز مي نامند. از طرف دیگر چون الکترون ها در فضاي موج آهسته RF حركت مي كنند، لذا این لامپ ها را، لامپ های موج رونده (TWT) نیز می گویند ]2 .[

شکل ‏1 1 ساختار یک لامپ TWT ]1 .[

شکل ‏1 2- مسیر عبور الکترون ها در یک لامپ TWT ]1 .[

1-4-اهداف تحقیق

همانگونه که ذکر شد الکترون ها پس از اینکه در الکترون گان تولید شدند، از قسمت میانی سیستم گذشته و وارد قسمت سوم، یعنی کلکتور می گردند. وظیفه ی کلکتور جمع آوری این الکترون های پر انرژی بوده، و لذا این عمل باعث بالا رفتن دمای قسمت های مختلف کلکتور می شود. معمولا برای بالا بردن ظرفیت جذب، سطح کلکتور را به صورت شیبدار طراحی می-نمایند تا سطح جذب کننده ی الکترون ها افزایش یابد.
با توجه به تحت خلا بودن ساختار داخلی و بالا بودن هدایت حرارتی مواد بکار رفته، انتقال حرارت از سطح داخلی کلکتور به سطوح خارجی، به روش هدایت صورت می گیرد و از آنجا به وسیله انتقال حرارت جابجایی به محیط داده می شود.
افزایش دمای کلکتور یکی از عوامل محدود کننده در کارآیی لامپ TWT می باشد. اگر دمای سطح داخلی کلکتور از دمای ذوب لحیم های بکار رفته در کلکتور فراتر رود باعث ذوب شدن لحیم های سازه شده و موجب از بین رفتن خلا درون لامپ و در نهایت باعث از کار افتادن کل سیستم می گردد. بنابراین، اهداف این پژوهش به صورت زیر ارائه می گردند:
1- بدست آوردن کانتور دما در تمامی اجزا کلکتور یک لامپ 900 وات با هندسه 3 بعدی، با توجه به جنس سرامیک های بکار رفته در کلکتور، که از برلیا، یا آلومینا و یا آلومینیوم نیترید می تواند باشد. در تمام حالات فوق دمای مربوط به صفحه کف (بیس) کلکتور 900 وات در دمای 40 و 50 و 70 و 90 درجه سانتیگراد در نظر گرفته می شود.
2- بدست آوردن کانتور دما در تمامی اجزا کلکتور یک لامپ 3000 وات با هندسه 3 بعدی، با توجه به جنس سرامیک های بکار رفته در کلکتور، که از برلیا و یا آلومینا می تواند باشد.
3-بررسی و مقایسه ی کانتور دما در کلکتور لامپ 3000 وات در حالتی که توان ورودی به صورت میانگین بر روی سطح داخلی کلکتور پخش شده باشد با حالت اصلی (توان هر قسمت از سطح داخلی کلکتور بر روی همان قسمت وارد شود) در حالتی که جنس سرامیک های بکار رفته در کلکتور از برلیا و یا آلومینا باشد.
4- بدست آوردن کانتور دما در کلکتور 3000 وات در حالتی که علاوه بر سطح زیرین، سطوح جانبی نیز در اثر تماس با مبدل در دمای ثابت نگه داشته شوند، در دو حالت استفاده از آلومینا و برلیا.
5- حل گذرا در حالتی که توان ورودی کلکتور 900 وات به طور ناگهانی و به علت نقص در سیستم دو برابر شود.
6- بهینه سازی حرارتی کلکتور با توان 3000 وات از نظر برخورد الکترون ها جهت کاهش دما.

فصل دوم

2- مروری بر تحقیقات پیشین

2-1-پیشینه تاریخی

برای درک بهتر موضوع، ضروری است علاوه بر قسمت کلکتور، به تحقیقات انجام شده در مورد کانکتور، هلیکس و الکترون گان نیز اشاره نموده و سپس به بررسی کلکتور پرداخته شود.
از میان تحقیقاتی که تحلیل حرارتی کانکتور را در بر می گیرند، می توان به کارهای Beak و همکاران در سال 2002 اشاره کرد ]3[. هدف اصلی، بررسی و تحلیل حرارتی در کانکتور، پیدا کردن داغ ترین نقطه (hot spot) بطوری که بتوان محل احتمالی وقوع خرابی را پیدا کرد، بوده است. با توجه به تحقیقات به عمل آمده، محل تماس هلیکس و کانکتور، که معمولا جوش داده می شوند، دارای بالاترین دما خواهد بود ]3[.
علاوه بر کانکتور، از دیگر قسمتهای مهم در TWT، قسمت هلیکس می باشدکه در این زمینه می توان به کارهای Waldemar و همکاران در سال 2009 اشاره نمود ]4[. نتیجه ی تحقیق ایشان، بدست آمدن کانتور دما در ساختار هلیکس بوده است.
تحلیل حرارتی الکترون گان توسطSharma و همکاران در سال 2009 با استفاده از مش های چهار وجهی انجام شده است و توزیع دما در الکترون گان، توسط ایشان بدست آمده است ]5[.
گاهی اوقات به دلیل نداشتن اطلاعات کافی از سایر قسمت های TWT علاوه بر کلکتور ناچار بوده اند که سایر قسمت ها را نیز همزمان مدل سازی نمایند که کار Fong و Hamel در سال 1979 از این نمونه است ]6[ که در شکل 2-1 نمایش داده شده است.

شکل ‏2 1- مش بندی تمام اجزا لامپ موج رونده ]6[.

ایشان نشان دادند که انجام لحیم برای کاهش دادن مقاومت های تماسی امری ضروری است اما باید لحیم به گونه ای انجام شود که با تغییر زیاد دما تنش های ایجاد شده مشکلی ایجاد نکند ]6[.
Agostino و Paoloni در سال 2000 با استفاده از مش Tetrahedral به تحلیل کلکتور پرداختند (شکل 2-2). علت انتخاب این نوع مش قابلیت های خوب و انعطاف پذیری بالای آن برای شکل های سه بعدی و پیچیده است، نتیجه تحقیق ایشان بدست آمدن میزان واگرایی الکترون ها در کلکتور بوده است ]7[.

شکل ‏2 2- گرید بندی ]7[.

در قسمت کلکتور سرامیک هایی وجود دارد که به علت شکننده بودن، در اثر تنش های گرمایی دچار ترک می شوند. تحلیل حرارتی کلکتور به منظور بررسی پوشش های سرامیکی توسط Behnke و همکاران در سال 2008 انجام شده است ]8[.
توزیع دما در این مجموعه با استفاده از نرم افزار ANSYS در شکل ‏2 3 گزارش شده است که برای این هندسه ی خاص دمای 120 درجه سلسیوس بعنوان ماکزیمم دما بدست آمده است.

شکل ‏2 3 توزیع دما در کلکتور ]8[.

Behnke و همکارانش در سال 2008 متوجه شدند که اگر عملیات لحیم کاری بین قسمت های مختلف به خوبی انجام شود مقاومت تماسی بسیار کاهش می یابد. درصورت بالا بودن مقاومت تماسی انتقال حرارت به بیرون کاهش یافته و موجب نقص در کارکرد دستگاه می-شود ]8[.
Guoqiang و Mingming در سال 2008، برای شبیه سازی کلکتور از نرم افزار ANSYS استفاده کرده اند ]9[. در مقاله ی ایشان مقاومت های تماسی بین قسمت های مختلف تشکیل دهنده ی کلکتور به خوبی در نظر گرفته شده، همچنین در تحلیل عددی مقدار توان بر راستای طولی کلکتور در شکل ‏2 4 گزارش گردیده است]9[.
از دیگر نتایج این پژوهش، بازه تغییرات دما در کلکتور، با شرایط مرزی جابجایی آزاد از طریق بدنه بوده است که در شکل ‏2 5 گزارش شده است. همچنین ایشان با توجه به شکل ‏2 5، نمودار توزیع دما را در مقطع خاص در شکل ‏2 6 گزارش نمودند.

شکل ‏2 4- تغییرات توان در راستای طول کلکتور]9[.

شکل ‏2 5-بازه توزیع دما در کلکتور ]9[.

شکل ‏2 6- توزیع دما در راستای شعاعی کلکتور]9[.

در شکل 2-5، C و D نقاطی هستند که در آنها مقاومت تماسی وجود دارد. این مقاومت تماسی سبب شده است که اختلاف دمای قابل توجهی مشاهده گردد. مقاله نامبردگان نشان می دهد که در مجموع حدود 33 درصد از افزایش دما، نتیجه حضور مقاومت تماسی می باشد ]9[.

مراجع

[1] [Online]. < www.Wikipedia.Com >. [Winter 2011].

[2] Gilmour, A. S .(2011). Klystrons, Traveling Wave Tubes, Magnetrons, Crossed-Field Amplifiers, And Gyrotrons, Artech House685 Can Ton, Streetnor wood
[3] Baek, S.W., Lee, J. H., Kim, S. H., Cho, K. H., and Kim, H. S.,
“Thermal Analysis Of Output Connector For Traveling Wave Tube” Third IEEE International Vacuum Electronics Conference,: 230-231, 2002.

[4] Waldemar, w. and Wymysłowski, A., “Thermal Analysis Of TWT Delay Line By Combined Theoretical And Numerical Approach” IEEE Telecommunications Research,: 359-362, 2009.

[5] Sharma, R., Bera, A. and Srivastava, V., “Thermal And Structural Analysis Of Electron Gun Assembly for A C-Band 60W Space TWT ” Microwave Tubes Division Central Electronics Engineering Research Institute (CEERI), Vol. 4, No. 5,: 309-314, 2009.

[6] Fong, H. H. and Hamel, D. J., ” Thermal/Structural Analysis Of Traveling Wave Tubes Using Finite Elements” IEEE, International Electron Devices Meeting,: 295-298, 1979.

[7] D’Agostino, S . and Paoloni C.,”A Finite-Element 3-D Method For The Design Of TWT Collectors” Department Of Electronic Engineering University Of Roma, Vol. 26, No. 2,: 119-122, 2000.

[8] Behnke, L. K., True, R. B. and Watkins, R. F., “Thermal Mechanical Study Of Mini-TWT Ceramic Jacketed Collectors” IEEE International Vacuum Electronics Conference,: 406-406, 2008.

[9] Guoqiang, X. and Mingming, Y. “Injecting More Millimeter Wave Traveling Wave Tube Collector Thermal Design” China Academic Journal Electronic Publishing House,Vol. 20, No. 2,: 273-276, 2008.

[10] Lie-Ming, Y., Hai, Y., LI, B. and Tao, H., “Thermal Analysis Of TWT Collector” China Academic Journal Electronic Publishing House, Vol. 18, No. 1,: 97-100, 2006.

[11] Thermal Analysis Guide 12, ANSYS Inc. Canonsburg, PA. , 2009.

[12] Damacharla, M.R., “Thermal And Structural Analyses Of The Multistage Depressed Collector of A Traveling Wave Tube” Department Of Mechanical Engineering the University Of Utah, 2010.

[13] Petillo, J., Epplley, K., Panagos, D., Blanchard, P., Nelson, E., Dionne, N. and Deford J., “The MICHELLE Three-Dimensional Electron Gun And Collector Modeling Tool: Theory And Design ” IEEE Transactions on Plasma Science.,Vol. 30, No. 3,: 1238 – 1264, 2002

[14] Kaliski, M. A. R., “Evolution In The Thermal Performance Of Radiation-Cooled Traveling Wave Tubes For Satellite Applications” 4th IEEE International Conference on Vacuum Electronics ,: 301-302, 2003.

[15] Sartre, V. and Lallemand, M., “Enhancement Of Thermal Contact Conductance For Electronic Systems” Applied Thermal Engineering, Vol. 21, No. 2,: 221-235, 2001.

]16[ اینکروپرا، فرانک پی.، دویت، دیوید پی.، ترجمه رستمی، ع. (1385). مقدمه ای بر انتقال گرما. مرکز انتشارات جهاد دانشگاهی واحد صنعتی اصفهان
[17] Crivello, R. and Grow, R. W., “Thermal Analysis of PPM-Focused Rod-
Supported TWT Helix Structures” IEEE Transactions on Electron Devices. Vol.
35, No. 10,: 1701–1720, 1988.
[18] Jae-Yuh Lin, “The Nonfourier Effect On The Fin Performance Under Periodic Thermal Conditions”, Applied Mathematical Modeling. Vol.22 ,: 629-640, 1998.

[19] [Online]. < www.matweb.Com >. [Winter 2011].
[20] Kuehn, T.H., and Goldstein, R.J. “An Experimental and Theoretical Study of Natural Convection in the Annulus Between Horizontal Concentric Cylinders.” Journal of Fluid Mechanics. Vol 74,: 695-719, 1976

ABSTRACT

Numerical Analysis of 3 Dimentional Heat Transfer in TWT’s Collector with Input Power of 900 and 3000 W

BY

MASOOD FASAIE

Traveling wave tube (TWT) is one of microwave amplifier devices. The five main elements of this vacuum microwave amplifier are electron gun, slow wave structure (SWS), RF input and output connectors , magnet focusing system and the collector. An electron beam emitted from the electron gun, passes through SWS to exchange some of its energy with electromagnetic wave and finally is collected at the end part of tube known as collector. The electron beam energy is dissipated at collector as thermal energy. The collector consists of internal body that separates by electric isolator ceramics from outer body. The goal of this research is to obtain temperature contour in collector and thermal optimization in presence of ceramic with various materials. Electron beam power distribution in internal body of collector is simulated by CST software and the thermal analysis of the TWT’s collector with ceramics that their heat conduction coefficient are variable with temperature has been carried out using ANSYS-CFX. In these simulation the ceramic materials are AL2O3, BeO and ALN and The results are compared. It has been seen that there is optimized temperature distribution in presence of BeO ceramic as electric isolator. The results are validated by temperature measuring in experiment.

Shiraz University

Faculty of Mechanical Engineering

M.Sc. Thesis in Mechanical Engineering
(Energy Conversion)

Numerical Analysis of 3 Dimentional Heat Transfer in TWT’s Collector with Input Power of 900 and 3000 W

BY

…..

Supervised by

A. A. GOLNESHAN

Jan 2013

دیدگاهها

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.

اولین نفری باشید که دیدگاهی را ارسال می کنید برای “بررسی عددی انتقال حرارت سه بعدی در کلکتور تقویت کننده موج رونده با توان ورودی 900 و 3000 وات”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

+ 31 = 36