熱管換熱器的兩相流模型與耦合傳熱的研究.pdf

1、熱管具有高效傳熱特性，在諸多領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。因此，對(duì)熱管內(nèi)的流體流動(dòng)和傳熱以及熱管換熱器的傳熱性能的研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 熱管內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的兩相流動(dòng)與相變傳熱問(wèn)題。目前，熱管的研究工作多以實(shí)驗(yàn)為主，熱管內(nèi)兩相流動(dòng)與傳熱過(guò)程的理論研究報(bào)道不多。以流體力學(xué)和傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，開(kāi)敞空間熱管和閉式熱管內(nèi)的沸騰傳熱特性還有待進(jìn)一步的研究。 傳統(tǒng)熱管換熱器設(shè)計(jì)和理論研究通常應(yīng)用宏觀分

2、析手段，采用整體平均方法進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中采用平均方法和經(jīng)驗(yàn)公式，并假定熱管本身的傳熱特性為一固定值。然而，熱管的傳熱特性隨著熱管外部流體流動(dòng)和傳熱特性變化而變化，二者的割裂無(wú)法對(duì)熱管換熱器的傳熱特性進(jìn)行正確求解，因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和理論研究存在一些不足。 目前，熱管及熱管換熱器正向微型化、高效化、結(jié)構(gòu)緊湊化方向發(fā)展，而相關(guān)理論模型的建立也是國(guó)際同行關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。 針對(duì)以上熱管及熱管換熱器研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，本文

3、主要進(jìn)行了以下四方面研究工作。 1.針對(duì)開(kāi)敞空間熱管沸騰傳熱過(guò)程，通過(guò)引入兩相流混合物模型，建立開(kāi)敞空間熱管沸騰傳熱模型。在模型計(jì)算過(guò)程中，采用變物性參數(shù)的方法考慮浮升力的影響、對(duì)比分析選擇合適的經(jīng)驗(yàn)公式描述汽泡直徑和脫落直徑、合理選擇相界面質(zhì)量和能量源項(xiàng)中比表面積的計(jì)算公式。通過(guò)該模型計(jì)算得到的開(kāi)敞空間熱管沸騰傳熱系數(shù)與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的結(jié)果吻合。并根據(jù)開(kāi)敞空間沸騰傳熱系數(shù)與閉式熱管液池內(nèi)沸騰傳熱系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行修正，得到單根熱管

4、液池內(nèi)的沸騰傳熱模型。 2.針對(duì)單根熱管內(nèi)流動(dòng)與傳熱過(guò)程，建立熱管內(nèi)冷凝段、蒸發(fā)段的流動(dòng)傳熱模型。冷凝段的膜狀冷凝過(guò)程，考慮界面剪切力和過(guò)冷度的影響，對(duì)Nusselt模型進(jìn)行修正，并應(yīng)用于該段計(jì)算；液池內(nèi)的沸騰傳熱過(guò)程，采用單根熱管液池內(nèi)的沸騰傳熱模型計(jì)算；液池以上部分的膜狀蒸發(fā)過(guò)程，考慮界面剪切力和過(guò)熱度影響，對(duì)Nusselt模型進(jìn)行修正，并應(yīng)用于該段計(jì)算。根據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒原理，對(duì)三段模型聯(lián)合計(jì)算，得到低Re數(shù)下單根熱管

5、的傳熱特性關(guān)聯(lián)式。比較求解結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值以及Nusselt理論值，本文模型的求解結(jié)果更接近文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值。同時(shí)，運(yùn)用本文建立的模型，研究了熱管的幾何結(jié)構(gòu)、充液量、工質(zhì)等對(duì)熱管傳熱性能的影響，分析了單根熱管的內(nèi)部傳熱機(jī)理。 3.熱管換熱器的傳熱性能取決于熱管管內(nèi)飽和蒸汽溫度和熱管自身傳熱性能對(duì)管外流體溫度分布的影響，本文建立了更符合實(shí)際工況的耦合源模型。該模型以單根熱管模型的研究為基礎(chǔ)，將熱管描述為關(guān)聯(lián)熱管換熱器冷凝段傳熱系數(shù)和熱管

6、飽和蒸汽溫度的“有源”固體區(qū)域，該區(qū)域與外界流體的熱邊界條件采用同時(shí)滿足溫度連續(xù)、熱流密度連續(xù)的耦合邊界條件，從而將熱管換熱器內(nèi)冷卻段和加熱段視為帶源項(xiàng)的固體區(qū)域與外界流體區(qū)域相互耦合的對(duì)流傳熱過(guò)程。耦合源模型整體描述了熱管換熱器內(nèi)流動(dòng)與傳熱特性，更便于深入研究熱管換熱器控制熱阻側(cè)(即冷、熱流體側(cè))的流動(dòng)和傳熱性能，進(jìn)而為熱管換熱器設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程提供理論依據(jù)。 4.本文以熱管換熱器冷卻段的研究為基礎(chǔ)，應(yīng)用本文建立的耦合源模型和場(chǎng)