回旋行波管是一种重要的毫米波器件,在军事领域等方面有着广泛应用。回旋行波管主要由电子枪、收集极、高频结构、输入输出系统等几大部分组成。它的工作原理是:电子枪发射电子,在电磁场作用下作螺旋运动进入高频结构,电子注与电磁场互作用使微波能量放大,剩余电子被收集极回收。随着回旋行波管工作频率不断提升,对整管的性能要求越来越高。在注波互作用阶段,为了抑制自激振荡等竞争模式,高频结构添加环状损耗介质。介质表面沉积热耗散功率,致使高频结构温度升高;电子进入收集极后,击打收集极内壁,电子动能转化为热能,使收集极温度升高。随着回旋行波管功率容量不断提升,无氧铜温度越来越高,流体相变体积分数增大,流体散热滞缓甚至停止,导致回旋行波管内壁受热不均被氧化、腐蚀和烧灼。为了提高回旋行波管性能,需要外部水冷降低回旋行波管温度。为解决以上问题,本文基于回旋行波管工作原理、热分析基础和流体力学理论,设计并比较了多种收集极和高频结构的水冷系统,通过ANSYS Fluent进行了热分析。本论文主要的研究内容和创新点有:1、收集极热分析。传统收集极不能满足流体较大湍流性,在直槽基础之上,分别设计了直槽底部增加圆槽、叶片增加方槽、岛型结构以及螺旋型结构。为了增大水冷结构的散热面积,对收集极闭筒厚度、水槽个数以及水槽深度进行了扫参仿真计算。螺旋型结构散热效果明显,流体相变体积分数较小,收集极内壁温度降为99℃。与传统型收集极相比,螺旋型结构的功率容量增加了74%。2、高频结构热分析。当传统型回旋行波管输出功率由10 kW提升到30 kW时,无氧铜被损坏,高频结构真空环境被污染,回旋行波管无法保持长时间稳定工作。为了提高回旋行波管的功率容量,分别对传统直槽型、岛型和螺旋型高频结构进行仿真计算。传统型高频结构功率占空比大于30%时,流体相变体积分数增加,散热效果骤降,输出功率较低。岛型冷却结构功率占空比小于55%时,流体流速较慢,不能及时带走热量,损耗介质最低温度为300℃,比传统型略高。螺旋型结构流体速度高达12 m/s,相变体积数量级为10^-5,达到了较好的散热效果;当高频结构功率占空比为50%时,损耗介质最高温度为200℃。与传统型相比,损耗介质温度由300℃降到了200℃,功率容量提升了67%。收集极和高频结构水冷结构均为螺旋型时,散热效果最佳,达到了提高回旋行波管性能的目标。基于良好的冷测结果,它们已被加工成实物并应用于热测实验,在工作状态下,并未发现局部烧融和打火。