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，在諸多領域有著極其重要的應用。因此，對熱管內的流體流動和傳熱以及熱管換熱器的傳熱性能的研究和結構優(yōu)化，具有重要的理論意義和應用價值。 熱管內的流體流動與傳熱過程是一個復雜的兩相流動與相變傳熱問題。目前，熱管的研究工作多以實驗為主，熱管內兩相流動與傳熱過程的理論研究報道不多。以流體力學和傳熱學為基礎，開敞空間熱管和閉式熱管內的沸騰傳熱特性還有待進一步的研究。 傳統(tǒng)熱管換熱器設計和理論研究通常應用宏觀分

2、析手段，采用整體平均方法進行計算，在計算過程中采用平均方法和經驗公式，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和傳熱特性變化而變化，二者的割裂無法對熱管換熱器的傳熱特性進行正確求解，因此傳統(tǒng)的設計計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、結構緊湊化方向發(fā)展，而相關理論模型的建立也是國際同行關注的熱點問題。 針對以上熱管及熱管換熱器研究的現狀和發(fā)展趨勢，本文

3、主要進行了以下四方面研究工作。 1.針對開敞空間熱管沸騰傳熱過程，通過引入兩相流混合物模型，建立開敞空間熱管沸騰傳熱模型。在模型計算過程中，采用變物性參數的方法考慮浮升力的影響、對比分析選擇合適的經驗公式描述汽泡直徑和脫落直徑、合理選擇相界面質量和能量源項中比表面積的計算公式。通過該模型計算得到的開敞空間熱管沸騰傳熱系數與文獻實驗關聯式的結果吻合。并根據開敞空間沸騰傳熱系數與閉式熱管液池內沸騰傳熱系數的關系進行修正，得到單根熱管

4、液池內的沸騰傳熱模型。 2.針對單根熱管內流動與傳熱過程，建立熱管內冷凝段、蒸發(fā)段的流動傳熱模型。冷凝段的膜狀冷凝過程，考慮界面剪切力和過冷度的影響，對Nusselt模型進行修正，并應用于該段計算；液池內的沸騰傳熱過程，采用單根熱管液池內的沸騰傳熱模型計算；液池以上部分的膜狀蒸發(fā)過程，考慮界面剪切力和過熱度影響，對Nusselt模型進行修正，并應用于該段計算。根據能量守恒和質量守恒原理，對三段模型聯合計算，得到低Re數下單根熱管

5、的傳熱特性關聯式。比較求解結果與文獻實驗值以及Nusselt理論值，本文模型的求解結果更接近文獻實驗值。同時，運用本文建立的模型，研究了熱管的幾何結構、充液量、工質等對熱管傳熱性能的影響，分析了單根熱管的內部傳熱機理。 3.熱管換熱器的傳熱性能取決于熱管管內飽和蒸汽溫度和熱管自身傳熱性能對管外流體溫度分布的影響，本文建立了更符合實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，將熱管描述為關聯熱管換熱器冷凝段傳熱系數和熱管

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冷卻段和加熱段視為帶源項的固體區(qū)域與外界流體區(qū)域相互耦合的對流傳熱過程。耦合源模型整體描述了熱管換熱器內流動與傳熱特性，更便于深入研究熱管換熱器控制熱阻側(即冷、熱流體側)的流動和傳熱性能，進而為熱管換熱器設計和優(yōu)化過程提供理論依據。 4.本文以熱管換熱器冷卻段的研究為基礎，應用本文建立的耦合源模型和場