径向热管稳态数值计算的malab程序

径向热管稳态数值计算的malab程序

目前，基于管道的研究主要是实验测试，然后通过数值模拟进行理论分析。随着计算机的发展，数值模拟已经成为研究热管的重要手段之一，但是由于热管研究的难度，科研人员通常忽略蒸发冷凝传热过程，导致计算的准确性降低。本文详细分析径向热管传热过程，结合相关理论建立数学模型并编写了热管稳态数值计算的Matlab程序及Guide界面程序。1热管的运行及测量系统实验系统主要是由热管加热系统、冷却水冷却系统、数据收集系统和测量系统组成，如图1所示。加热系统主要是由加热炉和调压-稳压器控制器构成，在加热炉中热管外壁均匀缠绕着加热丝，其加热通断主要是由调压稳压调节。加热丝外包裹着保温层，两边使用盖口法兰封闭，以防加热过程中热量的损失，产生漏热。热管冷却系统主要是由冷却水冲刷的内管以及水流控制阀门组成。通过控制冷却水流量送入内管冷却，实现热量的传递。热管启动经过一段时间后，热管外壁温度变化很小，即可判断热管运行达到稳定状态，通过数据采集仪，进行记录外壁温度值及进出口的冷却水温度。出口流量和冷却水进出口温度用电子流量计测量及温度计进行测量。热管数据采集热管壁温度测量系统主要是由高精度多通道测温电桥和镍铬-镍硅热电偶等组成，温度测试结果会自动采集，并呈现在终端电脑上进行数据输出。热管基于以下三种工况条件进行实验测量，调节电压大小以便控制热管的输入功率。实验工况条件及输入功率见表1。2径向热管内压散压网络运用热阻及管内工质稳态换热模型结合水在管内的定压汽化原理，分析热管内部传热的主要影响因素，计算出不同条件下各传热过程的平均温度分布及最大换热量。在一定输入功率下，径向热管达到工作稳定状态，热量从外管到内管的传递经过7个主要过程，如图2(a）所示，7个传热过程的热阻网络关系如图2(b）所示。径向热管内腔主要包含蒸汽和液池两部分，液池蒸发和套管内蒸汽对流传热同时进行，过程3和过程4采取并联关系。在热阻的作用下，整个管内温度沿径向降低。2.1液膜受压过程分析结合竖直平板凝结计算模型(1）液膜的温度主要为线性分布，其热量仅通过导热沿着径向传递；(2）忽略液膜内的惯性力；(3）液膜凝结过程作为稳态条件下，忽略其表面的相间波动；(4）气液相界面没有温差，即界面处液膜温度为饱和蒸汽温度；(5）液膜为常物性；(6）忽略液膜过冷度；(7）圆管外壁是恒定温度。在内管壁面上取液膜微元体，分析液膜受力运动过程，如图3所示。研究采用极坐标方式，在半径R，圆心角θ方向，分别取δ，dθ，沿着管周长方向单位为1的微元。考虑到重力远远大于压强梯度力的影响，忽略摩擦阻力，具体简化的系列方程如下：(1）物质和体积常数的守固定公式(2）能量守固定公式(3）热管冷凝器侧对流传热系数计算由上式得出冷凝液膜的速度和温度分布计算公式：根据质量和能量守恒，计算得到液膜厚度公式：由牛顿冷却公式，单管壁面局部凝结换热系数为：对式（6）求积分，可得到热管冷凝侧对流换热系数：即冷凝热阻为凝结换热热阻和气液界面热阻之和：式中：A2.2蒸发样品的数学模型热管在稳定工作过程中，管内包含有膜状蒸发、沸腾传热等各种流体传热与流动现象。研究一般将管内部沸腾看作大空间膜态沸腾处理式中：A2.3热管实验运行参数文中工质水和水蒸气各种物性参数通过温度多项式来表示。本文在有限个值的基础上并结合热管实验运行参数范围，通过Origin软件拟合得到连续的物性参数曲线，与相关文献中程序计算中水和水蒸气的物性参数见表2。2.4热管内蒸汽平均温度径向热管液池上部分套管中的蒸汽温度可取饱和平均温度，本文在数值模型中考虑该部分温度为热管内蒸汽平均温度。由于需要计算管壁处液膜厚度及管内工质的物性参数，计算必须首先确定热管内的蒸汽温度T假设外管蒸发管的总热阻为：内管冷凝侧的总热阻为：根据能量守恒，有：通过上式计算可以解出：2.5蒸发过程中干度的关系(1）饱和水比体积与饱和蒸汽温度的关系(2）饱和水蒸气比体积与饱和蒸汽温度的关系当蒸发过程开始且尚没有结束之时,其中热管部分为水，部分为水蒸气。在蒸发过程中引入干度x的概念，1kg湿蒸汽中含有xkg的饱和蒸汽，（1-x)kg饱和水。充液率与管内饱和蒸汽温度的关系：式中：φ为热管充液率，%；V2.6采用径向热平衡法计算实验中感应加热机的输入电压为380V，内置电流表精度为不同数值，加热输入功率Q式中：Q(2）输出输出该程序中不考虑能量损失，在后期针对具体的实际模型，考虑相应的热力损失系数η。热管温度关系公式如下：2.7平均温度的定义由于冷却水管道流动没有自由流速度，需要用平均速度来描述冷却水管道内部流动，使得必须采用平均温度。给出平均温度的定义，对于ρ和c本模型中在不同烟气速度横向冲刷水平长圆柱时，需考虑到热管外烟气横向冲刷可能产生的边界层分离效应，故采用适应于横向流动中圆柱体的换热系数公式。本程序采用逆牛顿迭代计算方法3不同输入功率下的液膜厚度数值模拟采用的是实验中热管长度1.8m，热管开始稳态运行后，该计算程序输入的已知工况条件为烟气流速和炉内温度；已知操作条件为冷却水流速与初始温度（环境温度283.15K）；已知热管结构条件为内外管径大小、初始充液率以及热管长度。程序的输出参数为：沿管长外壁面平均温度；沿管长的蒸汽平均温度；沿管长下冷却水平均温度；热管径向换热中总换热量。文中数值模拟的输入参数是结合热管在不同实际条件下的稳定运行情况。不同冷却水流速下冷水出口温度随着输入功率的变化如图5所示。从图中看出随着炉内输入功率的增大，实验和模拟中的水出口温度都在上升，同时水流量越大出口温度会降低。图中数值模拟与实验测量的出口温度分布基本相同，由于在流速较大的条件下实验中冷却水管内表面的比摩阻增加，影响了实际的对流换热过程，在流量较大的情况下的实验与模拟差异要大于小流量。同时由于实验中需考虑热量耗散以及测量中的误差的影响，所以实验值要比模拟值总体上偏小，温度偏差保持在8K以下。表3将实验与程序计算结果中的平均外壁T以内管顶点为起始点，计算出沿着管周长顺时针不同壁面位置时的液膜厚度，如图6所示。可以看出，随着功率的提高，液膜厚度逐渐增大，主要是由于壁面与蒸汽的温差增大，其饱和蒸汽凝结驱动力提高，液膜随之增厚。从图中液膜分布来看，两端液膜厚度很薄，大约是3.2×10图7为不同壁面位置局部换热系数分布情况。由图6和7可知，液膜积聚得越厚，对应位置的局部换热系数就越小，两者呈负相关，同时换热系数随着功率增大而降低。计算结果观察到局部换热系数的最大值与最小值之差能达到1.6×104实验结果验证(1）本文编写径向热管传热计算的Matlab程序，利用Guide界面程序可以通过基本参数的输入，自动计算热管稳定状态下的热管各部分温度值及最大换热量，换热总热阻等参数。(2）本文将数值模拟结果与实验结果值进