脈動(dòng)熱管激勵(lì)機(jī)制強(qiáng)化傳熱數(shù)值研究

劉建紅　鄧濤　白俊超　于民　鄭妥

摘 要：文章以脈動(dòng)熱管內(nèi)傳熱傳質(zhì)為出發(fā)點(diǎn)，利用數(shù)值模擬方法，建立二維模型，采用混合模型（Mixture model）和歐拉模型（Euler model）對(duì)脈動(dòng)熱管內(nèi)傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的比較分析確定哪種模型更適合用于研究脈動(dòng)熱管內(nèi)傳熱傳質(zhì)的流動(dòng)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：脈動(dòng)熱管；傳熱傳質(zhì)；數(shù)值模擬；混合模型；歐拉模型

中圖分類號(hào)：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0032-02

Abstract： Taking the heat and mass transfer in pulsating heat pipe as the starting point， a two-dimensional model is established by using numerical simulation method. The heat and mass transfer in pulsating heat pipe was studied by using mixture model and Euler Model. Through the comparison and analysis of the calculated results， it is determined which model is more suitable for studying the flow process of heat and mass transfer in pulsating heat pipe.

Keywords： pulsating heat pipe； heat and mass transfer； numerical simulation； mixture model； Euler model

引言

脈動(dòng)熱管作為一種新型高效的換熱裝置最早是由日本學(xué)者Akachi[1]提出的。雖然目前對(duì)脈動(dòng)熱管的研究仍處于應(yīng)用基礎(chǔ)階段，真正的商業(yè)化產(chǎn)品還較少，但因其環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、傳熱能力突出、制作簡(jiǎn)易且成本低等的優(yōu)點(diǎn)成為被推廣應(yīng)用的有利條件。如今，脈動(dòng)熱管的研究已經(jīng)做了很多，具體可以分為實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬研究和理論研究。目前各國(guó)學(xué)者對(duì)脈動(dòng)熱管的研究主要以實(shí)驗(yàn)為主，主要是研究管徑[2-4]、管內(nèi)工質(zhì)[5-7]、加熱方式[8]、傾角[9]、填充率[10]等因素對(duì)脈動(dòng)熱管運(yùn)行和傳熱效果的影響。數(shù)值模擬作為現(xiàn)代科學(xué)研究的一個(gè)重要手段，被越來(lái)越多的應(yīng)用到科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，成為與理論研究、實(shí)驗(yàn)研究并重的第三大研究手段，既脫胎于數(shù)值計(jì)算理論，又有良好的可視化結(jié)論和精確的數(shù)據(jù)分析，能夠?qū)碚摵蛯?shí)驗(yàn)研究方式進(jìn)行有效補(bǔ)充，使彼此相互印證。本文采用數(shù)值模擬方法，采用混合模型（Mixture model）和歐拉模型（Euler model）對(duì)脈動(dòng)熱管內(nèi)傳熱傳質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬，用于確定哪種模型能更好的了解和研究脈動(dòng)熱管的傳熱傳質(zhì)機(jī)理。

1 幾何模型及數(shù)值模擬模型

1.1 幾何模型及邊界條件

如圖1所示：本文以文獻(xiàn)[11]脈動(dòng)熱管換熱器為原型，計(jì)算過(guò)程中建立二維的脈動(dòng)熱管（振蕩流熱管）模型，把脈動(dòng)熱管劃分為三個(gè)區(qū)域，下部為蒸發(fā)段/加熱段（evaporation section），中間為絕熱段（adiabatic section），上部為冷凝段（condensation section）。幾何模型高為1m，寬為0.2m。由于幾何模型較為簡(jiǎn)單，對(duì)稱，故生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目為200000。把蒸發(fā)段（evaporation section）和冷凝段（condensation section， ）都設(shè)置為第一類邊界條件[12]，溫度分別設(shè)為573.15K和372.15K，把絕熱段（adiabatic section）設(shè)為第二類邊界條件即絕熱邊界條件，熱流密度qc設(shè)為0。

1.2 數(shù)值模擬模型比較

混合模型（Mixture model）是多相流模型的一種簡(jiǎn)化，可以模擬計(jì)算兩相或多相流中各相以不同速度運(yùn)動(dòng)的流體問(wèn)題?；旌夏Ｐ屯ㄟ^(guò)求解混合相的連續(xù)性方程、第二相的體積分?jǐn)?shù)方程，以及相對(duì)速度的代數(shù)表示來(lái)實(shí)現(xiàn)多相流體的模擬計(jì)算。歐拉模型（Euler model）則是通過(guò)建立一套包含有多個(gè)動(dòng)量方程和連續(xù)性方程的方程組，來(lái)求解多項(xiàng)流中每一相的運(yùn)行問(wèn)題。

2 計(jì)算結(jié)果分析與討論

2.1 混合模型（Mixture model）和歐拉模型（Euler model）在相同時(shí)刻的氣相體積分?jǐn)?shù)曲線比較

圖2分別為Mixture與Euler模型在1s時(shí)的氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖，從圖中可以看出：Mixture模型和Euler模型在加熱段底部均有都有氣相析出，說(shuō)明此時(shí)脈動(dòng)熱管已經(jīng)熱啟動(dòng)，但是相對(duì)于Euler模型來(lái)說(shuō)，Mixture模型在加熱段底部產(chǎn)生的氣相相對(duì)較少，但是在冷凝段卻有較多的氣相析出，而Euler模型在冷凝段沒(méi)有氣相析出，顯示歐拉模型并沒(méi)有模擬到脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)振蕩流動(dòng)。

圖3分別為Mixture與Euler模型在10s時(shí)的氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖，從圖中可以看出：Mixture模型和Euler模型在加熱段，絕熱段和冷凝段均有氣相析出，且都呈波動(dòng)狀態(tài)，說(shuō)明采用Mixture與Euler模型均能模擬到脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)受熱，在毛細(xì)蕊和表面張力作用下氣化，在傳熱過(guò)程中，氣塞在蒸發(fā)過(guò)程中氣泡聚合，氣液兩相分離，形成氣塞，液塞交替分布。從圖中可以看出采用Mixture模擬出的氣塞與液塞更為明顯，并且較為穩(wěn)定，在絕熱段氣相體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)了較大的波峰，這說(shuō)明Mixture模型能更好模擬出脈動(dòng)熱管內(nèi)小氣泡聚合成大氣泡，氣液分離形成液塞與氣賽的過(guò)程，這與文獻(xiàn)[12]中的結(jié)論是一致的，說(shuō)明Mixture模型更適合模擬脈動(dòng)熱管內(nèi)傳熱傳質(zhì)過(guò)程，為以后能更好的研究脈動(dòng)熱管內(nèi)激勵(lì)脈動(dòng)流動(dòng)打下了理論基礎(chǔ)。endprint

2.2 Mixture模型在不同時(shí)刻的氣相速度曲線比較

圖4為Mixture模型在不同時(shí)刻的氣體速度曲線比較，從圖中可以看出Mixture模型與在第5s時(shí)氣體速度曲線就已基本達(dá)到穩(wěn)定，氣體速度曲線波動(dòng)較小，氣體速度更加穩(wěn)定。這說(shuō)明Mixture模型能夠更好地模擬脈動(dòng)熱管內(nèi)氣液兩相運(yùn)行現(xiàn)象，即Mixture模型更適合于脈動(dòng)熱管的數(shù)值模擬。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬方法，采用混合模型（Mixture model）和歐拉模型（Euler model）對(duì)脈動(dòng)熱管內(nèi)傳熱傳質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)Mixture模型能更好模擬脈動(dòng)熱管內(nèi)氣化-冷凝過(guò)程，為進(jìn)一步了解和研究脈動(dòng)熱管的傳熱傳質(zhì)機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Akachi H. Structure of a heat pipe：US， 4921041[P].1991-08-15.

[2]S. Rittidech， P. Terdtoon， M. Murakami， P. Kamonpet， W. Jompakdee. Correlation to Predict Heat Transfer Characteristics of a Closed-End Oscillating Heat Pipe at Normal Operating Condition[J]. Applied Thermal Engineering，2003，23（4）：497-510.

[3]S. Rittidech， N. Pipatpaiboon， P. Terdtoon. Heat Transfer Characteristics of a Closed-Loop Oscillating Heat Pipe with Check Valves（CLOHP/CV）[J]. Applied Energy，2007，84（5）：565-577.

[4]Gi Hwan Kwon， Sung Jin Kim. Operational characteristics of pulsating heat pipes with a dual-diameter tube[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2014，75：184-195.

[5]隋緣，崔曉鈺，韓華，等.水-乙醇混合工質(zhì)振蕩熱管的傳熱特性研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2014，35（3）：50-55.

[6]朱靜，張紅，蘇磊.乙醇與水振蕩熱管傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究[J].熱力發(fā)電，2014，43（4）：39-41.

[7]喬鐵梁，崔曉鈺，韓華，等.甲醇/丙酮振蕩熱管的傳熱性能研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（18）：149-154.

[8]S. Maezawa， R. Nakajima， K. Gi， H. Akachi. Experimental Study on Chaotic Behavior of Thermohydraulic Oscillation on Oscillating[C]. Thermosyphon. Proceedings of the 5th International Heat Pipe Symposium， Melbourne， Australia， 1996，131-137.

[9]王迅，李達(dá)，李云昭.甲醇水溶液脈動(dòng)熱管的傳熱特性[J].化工進(jìn)展，2014，33（12）：3170-3175.

[10]孔方明，夏侯國(guó)偉，謝明付.平板脈動(dòng)熱管傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].廣東化工，2014，41（6）：145-146.

[11]劉建紅，商福民，劉登贏.脈動(dòng)熱管間協(xié)同耦合強(qiáng)化傳熱特性實(shí)驗(yàn)分析[J].化工學(xué)報(bào)，2011，62（6）：1549-1553.

[12]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué) 第四版[M].北京：高等教育出版社，2006：44.endprint