振荡流热管的数值模拟(第十三届热管会议)

传热强化与过程节能教育部重点实验室

TheKeyofEnhancedHeatTransferandEnergyConservation,MinistryofEducation,China振荡流热管的数值模拟报告人：汪双凤教授E-mail:sfwang@

1研究目的

与传统实验研究的方法相比，数值模拟方法可以大量节省时间和资源而获得结果。目前，对于振荡流热管的研究，大部分还停留于实验研究，因为其内部的两相流振荡传热存在不稳定性和不确定性，所以目前尚没有一个实用可靠的模型可以对振荡流热管进行数值计算。本文通过模型的简化，利用FLUENT（版本6.3）软件中内置多相流模型（VOF模型和Mixture模型）结合UDF程序对振荡流热管内部的两相流动进行数值模拟。试图通过数值模拟了解振荡流热管内部运行的物理现象，以及预测其热输送性能。2模型简化由于振荡流热管内部工质与环境没有物质交换，所以可以假设在单位区域内汽液的分布可以根据整体管道内的汽液比例来进行简化处理。3模型建立和和边界条件的设定

加热段（h-wall）根据实际的输入功率，设置为恒热流密度加热绝热段（a-wall）设置为绝热工况，热流密度输入为0冷凝段（c-wall）根据实际工况，设置为强制对流换热，换热系数为4000W/(m2﹒K)e-wall为记录加热段温度的管段，设置为与空气自热对流换热c-wall-1和c-wall-2为记录冷凝段温度的管段，设置为与空气自热对流换热4（1）采用双精度的二维模型；（2）采用分离式求解器；（3）选择非稳态条件；（4）考虑形体阻力（振荡流热管存在折弯管段）；（5）垂直底板加热的工况，启动重力加速度的影响；（6）采用能量方程；（7）采用层流模型并考虑粘性传热；（8）采用混合相的源项，通过UDF来控制汽液相的转化；（9）采用表面张力模型（CSF），把体积力添加到动量方程中来描述工质表面张力的影响；（10）采用纯水作为工质，充液率设置为50%；（11）压力与速度耦合算法使用SIMPLE算法（12）在离散设置中，压力插值方案采用形体力加权；动量和体积分数采用QUICK离散格式；能量方程使用一阶迎风算法其他求解设置

重新振荡流热管的振荡传热的物理过程5控制汽液相的转化UDF源程序设置工质水在真空状态下的蒸发温度为50摄氏度，汽化潜热为2260KJ/Kg定义液相源项假如温度大于蒸发温度，液相向汽相转移同理定义汽相源项，以及物质和能量变化方程其他情况，则由汽相向液相转移同理定义混合相源项，以及物质和能量变化方程6网格独立性验证

网格数为2305

网格数为8163

网格数为29563网格数为119724选择管径为1.3mm，特征传热长度为100mm的四环振荡热管在24W的运行工况作为比较对象，最终确定采用0.08×0.5mm的均一矩形网格进行计算7Mixture与VOF模型模拟结果的对比通过对不同结构的振荡流热管进行模拟发现，相比于VOF模型的模拟结果，采用MIXTURE模型所获得的蒸发段和冷凝段的平均温度以及对应的热阻，相对误差分别只有是12.78%，16.05%和31.33%，不论改变管内径或改变特征传热长度，MIXTURE模型都比VOF模型具有更高的准确性

Mixture模型VOF模型8Mixture与VOF模型温度曲线的对比温度曲线趋势是相似，不同之处是VOF模型的温度曲线波动保持在高温状态，而MIXTURE模型则维持在较低的温度水平。主要原因可能是振荡热管的运行会经历流型的变化，VOF模型对速度变化的跟踪并不敏感，相比之下,MIXTURE模型用滑流速度和漂移速度来描述混合相之间的速度，它允许相与相之间存在不同的运行速度。

所以MIXTURE模型更适用于振荡流热管不同流型转化的过程模拟。9数值模拟与可视化观测的对比把透明玻璃管取代振荡流热管的绝热段，作为可视化观察区域。实验观察发现振荡流热管的启动经历了汽泡产生——局部振荡——通道间连带的循环振荡，而数值模拟记录的温度变化情况同样反映出此过程，证明数值模拟的可靠性。10数值模拟与实验测试的对比数值模拟温度曲线和实验记录的温度曲线具有相同的发展趋势（启动点）。数值模拟的温度曲线图同时还证明了温度的振荡频率将随着加热功率的增加而加剧，而振幅则随着加热功率的增加而变小11数值模拟所得的热阻发展趋势同样与实验结果相吻合。证明相比于特征传热长度，管内径的影响更为明显。随着管内径的增大，振荡流热管的热阻总体上逐渐降低，并最终稳定在一定的水平上。12结论

（1）在Gambit和Fluent中建立二维的振荡流热管模型，分别采用VOF和MIXTURE模型对其内部工质流动，以及由此引发的温度变化情况进行模拟。数值模拟结果与实验数据对比发现MIXTURE模型要比VOF模型更适合于振荡流热管的模拟。（2）通过可视化实验的观测和数值模拟记录的对比，验证了数值模拟成功重显了振荡流热管内部的工质流动和对应的温度变化，包括：加热段工质受热蒸发产生汽泡的过程；汽