重力热管流动和换热特性的数值模拟研究.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123145
重力热管流动和换热特性的数值模拟研究
杨开敏王鑫煜王乃华程林*
(山东大学热科学研究中心, 山东济南 250061)
(Tel:[phone], Email:ykm_168@)
摘要:热管是利用工质相变过程进行热量传递的一种高效传热元件,不仅具有优越的导热性能和等温特性,而且其结构简单、质量轻、体积小、本身无运动部件以及维护费用低,因而应用前景很好。本文通过建立物理模型和数学模型,模拟了重力热管内的相变换热。由计算结果分析可知,FLUENT能够很好地模拟热管内的蒸发和冷凝这两种相变现象;壁面液膜在冷凝段和绝热段时分布连续性较好,但是在蒸发段连续性较差,具有波动或者局部瞬时干涸的现象;热管内的压力分布可以保证蒸气连续不断地由加热段流向冷凝段以及液体的回流;在达到稳定状态时,热管内大部分区域的速度波动较小,总体呈现出从蒸发段和冷凝段顶端往绝热段线性增加,在绝热段内保持较大稳定速度的趋势。
关键词:重力热管;蒸发;冷凝;FLUENT
1 前言
热管是利用工质相变过程进行热量传递的一种高效传热元件,不仅具有优越的导热性能和等温特性,而且其结构简单、质量轻、体积小、本身无运动部件以及维护费用低,因而得到了广泛应用,特别是航天器热控系统及电子元器件散热等领域[1-3]。热管一般由封闭的管子、毛细芯和工作介质组成,而重力热管即两相虹吸热管是一种没有毛细芯的热管,工质依靠重力的作用在其内部完成循环。其广泛应用于铁路防冻、涡轮叶片冷却以及换热器等[4]。
1965年Cotter首次提出了较完整的热管理论[5],为以后的热管理论的研究工作奠定了基础。Cotter之后,在针对热管内流动和换热的研究工作中提出了热管的一维模型[6]二维模型[7,8]和三维模型[9]。文献[10]-[13]通过数学分析和计算给出了两相流的流动和换热模型;Tiselj等[14]使用CFX模拟了热管单相流的三维流动;文献[15]通过数值计算软件FLUENT,采用VOF模型模拟了管内的相变现象及分析了气液两相流动特性,但是对于像热管这种封闭管内相变的模拟还不多见。
本文以普通重力热管为研究对象,建立了其二维两相流动和换热的模型,使用CFD软件FLUENT模拟热管内的蒸发和冷凝现象,并把计算结果和之前的试验数据比较验证计算数据的正确性。
2 计算模型
基金项目:山东省2009年自主创新成果转化重大专项计划“阿尔法磁谱仪”, 2009ZHZX1A1105
本文计算所采用的物理模型是普通的铜水重力热管,该热管的横截面为圆形。如图1(a)中所示,沿热管的轴向从下往上分为加热段、绝热段和冷凝段,其长度分别为
10cm、5cm以及10cm。,。本文计算使用的网格如图1(b)所示,整个计算区域采用四边形网格划分,并在壁面附近进行了边界层加密,以保证计算的精度,边界层如图1(c)所示。该模型中除了蒸发段和冷凝段壁面为恒热流边界条件外,其余各面均为绝热边界条件。
Condensation
Evaporation
Adiabatic
(a)
(b)
(c)
图1 热管计算模型网格示意图,(a) 热管, (b) 计算区域网格, (c) 边界层网格
本文计