振蕩流熱管的數(shù)值模擬(第十三屆熱管會(huì)議)

傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

TheKeyofEnhancedHeatTransferandEnergyConservation,MinistryofEducation,China振蕩流熱管的數(shù)值模擬報(bào)告人：汪雙鳳教授E-mail:sfwang@

1研究目的

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的方法相比，數(shù)值模擬方法可以大量節(jié)省時(shí)間和資源而獲得結(jié)果。目前，對(duì)于振蕩流熱管的研究，大部分還停留于實(shí)驗(yàn)研究，因?yàn)槠鋬?nèi)部的兩相流振蕩傳熱存在不穩(wěn)定性和不確定性，所以目前尚沒有一個(gè)實(shí)用可靠的模型可以對(duì)振蕩流熱管進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。本文通過(guò)模型的簡(jiǎn)化，利用FLUENT（版本6.3）軟件中內(nèi)置多相流模型（VOF模型和Mixture模型）結(jié)合UDF程序?qū)φ袷幜鳠峁軆?nèi)部的兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。試圖通過(guò)數(shù)值模擬了解振蕩流熱管內(nèi)部運(yùn)行的物理現(xiàn)象，以及預(yù)測(cè)其熱輸送性能。2模型簡(jiǎn)化由于振蕩流熱管內(nèi)部工質(zhì)與環(huán)境沒有物質(zhì)交換，所以可以假設(shè)在單位區(qū)域內(nèi)汽液的分布可以根據(jù)整體管道內(nèi)的汽液比例來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。3模型建立和和邊界條件的設(shè)定

加熱段（h-wall）根據(jù)實(shí)際的輸入功率，設(shè)置為恒熱流密度加熱絕熱段（a-wall）設(shè)置為絕熱工況，熱流密度輸入為0冷凝段（c-wall）根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)置為強(qiáng)制對(duì)流換熱，換熱系數(shù)為4000W/(m2﹒K)e-wall為記錄加熱段溫度的管段，設(shè)置為與空氣自熱對(duì)流換熱c-wall-1和c-wall-2為記錄冷凝段溫度的管段，設(shè)置為與空氣自熱對(duì)流換熱4（1）采用雙精度的二維模型；（2）采用分離式求解器；（3）選擇非穩(wěn)態(tài)條件；（4）考慮形體阻力（振蕩流熱管存在折彎管段）；（5）垂直底板加熱的工況，啟動(dòng)重力加速度的影響；（6）采用能量方程；（7）采用層流模型并考慮粘性傳熱；（8）采用混合相的源項(xiàng)，通過(guò)UDF來(lái)控制汽液相的轉(zhuǎn)化；（9）采用表面張力模型（CSF），把體積力添加到動(dòng)量方程中來(lái)描述工質(zhì)表面張力的影響；（10）采用純水作為工質(zhì)，充液率設(shè)置為50%；（11）壓力與速度耦合算法使用SIMPLE算法（12）在離散設(shè)置中，壓力插值方案采用形體力加權(quán)；動(dòng)量和體積分?jǐn)?shù)采用QUICK離散格式；能量方程使用一階迎風(fēng)算法其他求解設(shè)置

重新振蕩流熱管的振蕩傳熱的物理過(guò)程5控制汽液相的轉(zhuǎn)化UDF源程序設(shè)置工質(zhì)水在真空狀態(tài)下的蒸發(fā)溫度為50攝氏度，汽化潛熱為2260KJ/Kg定義液相源項(xiàng)假如溫度大于蒸發(fā)溫度，液相向汽相轉(zhuǎn)移同理定義汽相源項(xiàng)，以及物質(zhì)和能量變化方程其他情況，則由汽相向液相轉(zhuǎn)移同理定義混合相源項(xiàng)，以及物質(zhì)和能量變化方程6網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

網(wǎng)格數(shù)為2305

網(wǎng)格數(shù)為8163

網(wǎng)格數(shù)為29563網(wǎng)格數(shù)為119724選擇管徑為1.3mm，特征傳熱長(zhǎng)度為100mm的四環(huán)振蕩熱管在24W的運(yùn)行工況作為比較對(duì)象，最終確定采用0.08×0.5mm的均一矩形網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算7Mixture與VOF模型模擬結(jié)果的對(duì)比通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的振蕩流熱管進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，相比于VOF模型的模擬結(jié)果，采用MIXTURE模型所獲得的蒸發(fā)段和冷凝段的平均溫度以及對(duì)應(yīng)的熱阻，相對(duì)誤差分別只有是12.78%，16.05%和31.33%，不論改變管內(nèi)徑或改變特征傳熱長(zhǎng)度，MIXTURE模型都比VOF模型具有更高的準(zhǔn)確性

Mixture模型VOF模型8Mixture與VOF模型溫度曲線的對(duì)比溫度曲線趨勢(shì)是相似，不同之處是VOF模型的溫度曲線波動(dòng)保持在高溫狀態(tài)，而MIXTURE模型則維持在較低的溫度水平。主要原因可能是振蕩熱管的運(yùn)行會(huì)經(jīng)歷流型的變化，VOF模型對(duì)速度變化的跟蹤并不敏感，相比之下,MIXTURE模型用滑流速度和漂移速度來(lái)描述混合相之間的速度，它允許相與相之間存在不同的運(yùn)行速度。

所以MIXTURE模型更適用于振蕩流熱管不同流型轉(zhuǎn)化的過(guò)程模擬。9數(shù)值模擬與可視化觀測(cè)的對(duì)比把透明玻璃管取代振蕩流熱管的絕熱段，作為可視化觀察區(qū)域。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)振蕩流熱管的啟動(dòng)經(jīng)歷了汽泡產(chǎn)生——局部振蕩——通道間連帶的循環(huán)振蕩，而數(shù)值模擬記錄的溫度變化情況同樣反映出此過(guò)程，證明數(shù)值模擬的可靠性。10數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的對(duì)比數(shù)值模擬溫度曲線和實(shí)驗(yàn)記錄的溫度曲線具有相同的發(fā)展趨勢(shì)（啟動(dòng)點(diǎn)）。數(shù)值模擬的溫度曲線圖同時(shí)還證明了溫度的振蕩頻率將隨著加熱功率的增加而加劇，而振幅則隨著加熱功率的增加而變小11數(shù)值模擬所得的熱阻發(fā)展趨勢(shì)同樣與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。證明相比于特征傳熱長(zhǎng)度，管內(nèi)徑的影響更為明顯。隨著管內(nèi)徑的增大，振蕩流熱管的熱阻總體上逐漸降低，并最終穩(wěn)定在一定的水平上。12結(jié)論

（1）在Gambit和Fluent中建立二維的振蕩流熱管模型，分別采用VOF和MIXTURE模型對(duì)其內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)，以及由此引發(fā)的溫度變化情況進(jìn)行模擬。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)MIXTURE模型要比VOF模型更適合于振蕩流熱管的模擬。（2）通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)和數(shù)值模擬記錄的對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬成功重顯了振蕩流熱管內(nèi)部的工質(zhì)流動(dòng)和對(duì)應(yīng)的溫度變化，包括：加熱段工質(zhì)受熱蒸發(fā)產(chǎn)生汽泡的過(guò)程；汽