环形热管蒸发段换热过程的数值模拟.pdf

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1、环形热管蒸发段换热过程的数值模拟王伟．万建武(广·r,l大学土木工程学院，广东广州510006)提供的蒸发沸腾模型与自定义函数程序(UDF)，对无吸液芯、无高度差的环形热管蒸发段的管内相变得出了管内相变换热过程与管外热流密度的关系，并进一步地对不同管径、高度的盟选鱼工分关键词：环形热管；模拟；F1UENT软件；热流密度中图分类号：TK172．4文献标识码：A文章编号：1009—9492(2010)1l—o038一o41绪论展．许多学者对热管的传热过程进行了模拟探讨[4-6]。从原理上讲，各种热管的模拟原理并无特大区别，但由于所环形热

2、管作为热管的一种，具有优良的传热性能，传具有的结构的不同．使热管的建模方法各有所不同。热管统的环形热管(LHP)是一种两相的高效传热装置，1972年由前苏联乌拉尔科技学院Gerasimov和Maydanik发明并内的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程耦合在一起的，两相传热过程极其复杂。流体作为冷却剂申请专利的⋯，起初是空间技术的产物，近年来开始应用在管内受热逐渐从单相过冷状态升温、沸腾、形成汽液两于其它行业，如文献[2—3]提及的应用在房间除湿以及相流、直至形成过热蒸汽。因此热管的模拟是相当困难冰蓄冷系统、热回收与结合表

3、冷器送风的空调系统。的。完整的两相热力学模拟加上完整的流体力学可以从理图1所示是本文研究所采用的环形热管，采用了无高论上解决模拟情况，只是采用它们做热管系统级模拟实际差、无吸液芯的设计．它利用气液相之间产生的饱和压力的操作还是很麻烦，毕竟在热管自身的设计过程中厂商也差来进行驱动运行，利用工质的蒸发和冷凝来传递热量。当热量施加到蒸发段上，热量通过蒸发段管壁传递蒸发段只是采用简化的方法I7l。传统热管模拟存在的难题主要有：(1)热管内的热内部被工作流体吸收，使其由液体变成气体，然后通过蒸汽管线到达冷凝段，通过冷凝段气体将热量排放。使工作

4、量传递是靠相变变化来进行的，但目前的大部分模拟软件流体由气体通过冷凝过程变为液体，经过冷凝段管线流回尚不具备此功能：(2)热管管内的吸液芯部分简化也有待研究，一般的办法是忽略其作用并把它简化成某一源蒸发段，开始下一个工作循环。项。目前的研究中，台湾的部分学者通过使用KIVA一3程随着热管理论的成熟与计算机技术的高速发展，计算流体力学与计算传热学的发展与大型CFD软件的迅速发序通过多孔介质模型或者省略吸液芯设置对热管内部的流场、温度场以及换热进行了大量研究。目前来说，美国蒸汽瞥线NASA的热流分析软件SINDA／FLUINT的软件在热

5、管的系统模拟中的优越性已经得到验证，但此款软件价格昂贵，并且在国内使用的较少，限制了更多学者利用其对热管的模拟研究，但不失为可考虑的一种途径。而国内的学者研究多数采用的是CFD软件来进行，但也通常没有考虑到耦合相变作用．因此．鉴于热管相变的模拟尚处于摸索阶冷凝管线段，目前尚无统一可行方法。因此本文研究中，为了模拟图l环形热管的二维模型相变过程，以为将来的进一步研究打下基础，把环形热管收稿日期：2010—05—12厂————————厂————]————————1L—I兰【j研究与的相变模拟研究集中于蒸发段的模拟研究。而从实际结果dro

6、发现，此种简化虽使环形热管不完整，但从环形热管蒸发p4ko(一)h[+段得出的相变过程与结果合理且与理论吻合得较好。2采用的数学模型而对于液相与气相的转换．在液相与气相交界处则本文模拟过程采用的是两相流的混合(mixture)模为：公式(7)表示交界面的液相和气相的剪切力相等，型．mixture模型考虑了界面传递特性以及两相间的扩散作并且公式(8)表示通过的热量相等。用和脉动作用，并使用了滑移速度的概念，允许相以不同T=的速度运动．可以用于模拟各相有不同速度的多相流。由于热管的整体运行过程中存在着液相以及气相，因此把数OH警警Ox(

7、7)学模型分为整体以及液相与气相交界处，假设热管运行过=“掣o孚yoy程中忽略了辐射的影响，管内运动为层流运动，整体的过程遵循连续性方程、动量方程以及能量方程。二维模型表lP“Pl“，or,]hm达式如下：(8)l连续性方程A,Ult!h等]a(pu)a(p-v)_：O(1)0V式(5)～(8)中：m为液体当前质量，kg；为液动量方程体的蒸发沸腾比例；m为液体初始质量，；为蒸O(puv)0p发沸腾速度，kg／s；h为汽化潜热，J／kg；k气相导热(+ay—llJ-+芸(]+(kt考]c2，率，W／m·k。3模拟过程与分析Op+=一+

8、oy＼，，]㈤3．1边界条件选择与分析本文Fluent使用二维非稳态的mixture来模拟单根环能量方程形热管蒸发段的情况，管径为9．52ram，高度为500ram，一一一～一涨腑驱通过理论计算与实验结果[8-93可以得知，单根环形热