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用。因此，對熱管內(nèi)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(jié)構(gòu)優(yōu)化，具有重要的理論意義和應用價值。 熱管內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jīng)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(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際同行關(guān)注的熱點問題。 針對以上熱管及熱管換熱器研究的現(xiàn)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(shù)的方法考慮浮升力的影響、對比分析選擇合適的經(jīng)驗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(shù)與文獻實驗關(guān)聯(lián)式的結(jié)果吻合。并根據(jù)開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)系進行修正，得到單根熱管

4、液池內(nèi)的沸騰傳熱模型。 2.針對單根熱管內(nèi)流動與傳熱過程，建立熱管內(nèi)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(nèi)的沸騰傳熱過程，采用單根熱管液池內(nèi)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(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒原理，對三段模型聯(lián)合計算，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)果與文獻實驗值以及Nusselt理論值，本文模型的求解結(jié)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(jié)構(gòu)、充液量、工質(zhì)等對熱管傳熱性能的影響，分析了單根熱管的內(nèi)部傳熱機理。 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(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(nèi)流動與傳熱特性，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(jù)。 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