旋转热管流动和传热数值模拟 常伟

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：143259旋转热管流动和传热数值模拟常伟，连文磊，宣益民(南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016)(Tel:18602509765,E-mail:wenlian@nuaa.edu.cn)摘要：本文对旋转热管内部工质的流动和传热机理开展研究，建立数学模型，采用VOF模型描述两相流动和传热传质过程，考虑了相变饱和温度和饱和压力的依变关系，获得了工质的速度、温度以及两相分布特性。研究表明，冷凝端和绝热端交界处热阻较大，壁面过冷度大；旋转热管轴向热阻很小，具有很好的等温性；随着传热量增大，冷

2、凝端过冷度和蒸发端过热度均增大，总热阻增大。结果表明该方法可以较好地模拟旋转热管内工质的流动和传热特性。关键词：旋转热管；VOF；相变；数值模拟0前言热管是通过内部工质的蒸发、冷凝和循环回流，依靠相变传热而实现热量传递的高效传热元件。由于热管具有高效传热特性和优异的等温性，热管在航空航天，电子设备，动力工程，化工等领域得到了广泛应用[1-5]。旋转热管[6]是一种特殊的热管，它与普通热管的区别是：普通热管依靠毛细力或重力驱动冷凝液回流[7]，而旋转热管的液体回流利用旋转产生的离心力实现。旋转热管利用巨大的离心力作为回流驱动力，往往具有更大的

3、传热能力；旋转热管可在失重环境下工作，在航天领域已得到应用；由于无须毛细芯结构，旋转热管制造工艺简单，经济性好，可靠性高，使用寿命长。由于上述诸多优势，旋转热管在国民经济的众多领域具有广泛的应用价值。国内外针对旋转热管开展了一定的的理论和实验研究。目前，对于热管冷凝机理的研究都是基于Nu数膜状凝结模型。Sparow等[8]研究了在离心力作用下蒸汽在旋转锥中冷凝。他们假设在大锥角恒定膜厚的区域使用恒定界面剪切力。Ballback[9]进一步研究了旋转锥中冷凝机理，假设液膜很薄，冷凝液膜斜率比半锥角的正切值小很多，忽略蒸汽剪切力和壁面热阻，得到

4、了冷凝总传热系数表达式。Daley[10]考虑了壁面热阻，得到壁面的温度降导致液膜更加薄和更高的传热系数。Ballback和Daley两人都没有考虑界面剪切力。Daniels和Al-Jumaily[11]解决了这个问题，在Nusselt研究的基础上加入了可变剪切力关联式。Schmalhofer和Faghri[12]建立了轴向旋转热管的三维模型,模型包括了壁面、吸液芯和蒸汽三个耦合传热，模型假设吸液芯部分的传热是靠热传导，不存在热量损失，并建立了稳态传热公式，数值解和实验数据一致性很好。Song[13]等人提出了新的模型来预测离心加速度达到1

5、0000g的高速旋转热管的性能。冷凝采用改进数膜状凝结模型，蒸发采用改进数膜状蒸发模型。研究发现，自然对流随着转速升高和充液量增加显得越发重要。蒸发采用混合对流，得到的数值结果和实验结果一致性较好。作者[14]对热管的传热特性开展了比较广泛的研究。试验研究了热管结构、转速、充液率、流动介质等对热管热性能的影响，主要包括各个因素对管内轴向液膜分布、蒸发段过热度、蒸发段/冷凝段热阻、轴向温度分布以及传热特性的影响。试验测试的最高转速4000rpm，离心加速度达170g。实验表明，在高转速下，自然对流在液膜蒸发中起着非常重要的作用。他们[15]对

6、转速2000到4000rpm的旋转热管开展了实验研究。结果表面，自然对流出现在了蒸发段液膜中，和之前研究的考虑自然对流的蒸发模型预测的结果一致性较好。Bertossi[16]等人对带锥角的旋转热管和无锥角的旋转热管进行了实验研究，得到了工况条件下最优性能参数。旋转热管理论研究还不够深入，对其工质流动和传热的机理认识还不够清楚。旋转热管的数值分析模型中冷凝段采用改进数膜状凝结模型，但在高速旋转状态下，薄膜自然对流换热占主导地位，该模型不能很好描述旋转热管的传热特性。Song采用的模型考虑对流换热的影响，与实验数据有较好的一致性，但部分结果表明

7、此模型在一些方面不能完整地描述高速旋转热管传热特性，对不同的热管结构仍存在一定的误差，可见,旋转热管的热量传递机理和控制方法存在亟待解决的问题，对其进行深入的理论和实验研究具有重大的现实意义。值得一提的是，目前旋转热管内部的传热传质过程的模拟多采用恒定饱和温度，这与真实情况下热管内压力场时刻变化不符，不能真实地反映旋转热管内部的传热传质机理。本文采用VOF模型，基于完整的质量、动量和能量守恒方程，考虑工质饱和温度和饱和压力的依变关系及其对气液相变的影响，建立了典型的轴向旋转热管工质流动和传热的数学模型，通过数值模拟探讨了旋转热管的工作特性。

8、1物理模型旋转热管结构有两种形式：1）热管内径为一恒定值，由于液膜厚度的差别，旋转时产生的离心力使冷凝液自冷凝端回流至蒸发端；2）旋转热管冷凝端内壁有锥度，热管沿着轴向旋转时，锥