• <tr id="yyy80"></tr>
  • <sup id="yyy80"></sup>
  • <tfoot id="yyy80"><noscript id="yyy80"></noscript></tfoot>
  • 99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

    基于VOF的U形重力熱管的數(shù)值模擬

    2022-02-19 10:12:34黃依黃坤榮章征服段寧康
    機械工程師 2022年2期
    關(guān)鍵詞:液率充液熱阻

    黃依,黃坤榮,章征服,段寧康

    (南華大學機械工程學院,湖南 衡陽 421001)

    0 引言

    熱管是一種在現(xiàn)在能源工業(yè)中常常被使用的傳熱設(shè)備,用于各種需要熱量傳遞的場所, 如電子元器件的散熱、核設(shè)備中的散熱、地熱資源開發(fā)及一些條件惡劣的環(huán)境中,熱管具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工等優(yōu)點。重力熱管通常也叫做兩相閉式熱管,是一種無吸液芯結(jié)構(gòu)的熱管,和傳統(tǒng)的熱管不同的是重力熱管內(nèi)部無吸液芯結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的有芯熱管依靠蒸發(fā)端將工質(zhì)蒸發(fā),產(chǎn)生蒸汽,形成壓差作為驅(qū)動力,蒸汽到達冷凝端后放熱后變?yōu)橐后w,通過吸液芯結(jié)構(gòu)重新回到蒸發(fā)端,吸液芯的毛細力能為冷凝后的水做驅(qū)動力,此為傳統(tǒng)熱管的工作原理。重力熱管與之不同,管內(nèi)無吸液芯結(jié)構(gòu),并且一般其為豎直直管,通過蒸發(fā)端將工質(zhì)進行蒸發(fā),產(chǎn)生壓差,蒸汽到達冷凝端后放熱,經(jīng)放熱后在管壁上凝結(jié)為水滴,通過重力作用回到蒸發(fā)端補充工質(zhì)。

    目前,國內(nèi)外的學者已經(jīng)就重力熱管進行大規(guī)模的研究,也有許多學者就其進行了數(shù)值模擬。卿倩[1]研究了不同加熱功率下對重力熱管的熱阻,研究了不同充液率下熱管的傳熱性能。劉剛[2]對重力熱管內(nèi)部工質(zhì)選擇進行分析,從工質(zhì)物性的角度對熱管的傳熱影響進行了討論。戰(zhàn)洪仁等[3]用FLUENT軟件和UDF對重力熱管內(nèi)部的工質(zhì)蒸發(fā)冷凝做出模擬,結(jié)果能夠成功做出冷凝過程。戰(zhàn)洪仁等[4]研究了改變蒸發(fā)端工質(zhì)蒸發(fā)速率的螺紋式內(nèi)壁的重力熱管仿真研究,分析了螺紋內(nèi)壁對熱管的傳熱影響。賈雷雷等[5]研究了基于不銹鋼-水重力熱管在變重力方向的工況下,不同充液率對重力熱管的傳熱影響。陳軍等[6]在管內(nèi)填充兩種工質(zhì)的情況下對R134A與水進行了數(shù)值模擬。姚麗君等[7]采用CFD仿真技術(shù)對小管徑(φ6.8 mm)的重力熱管建立了數(shù)值模型,并分析了不同加熱功率和不同重力方向?qū)峁軅鳠嵝阅艿挠绊懀\用數(shù)值模擬對管內(nèi)進行了可視化研究。夏波等[8]使用了玻璃-金屬材質(zhì)的重力熱管,對熱管進行了可視化試驗,研究了不同熱流密度、冷卻條件、充液率對熱管傳熱性能的影響。Zied Lataoui[9]對重力熱管填充水、乙醇、丙酮3種不同的工質(zhì),并且分析了充液率對重力熱管傳熱的影響。本文根據(jù)重力熱管的外形進行改善,采用U形結(jié)構(gòu),同時采用FLUENT2021對熱管進行數(shù)值模擬,根據(jù)以前研究人員做過的實驗數(shù)據(jù)進行對比,可以確定數(shù)值模擬具有真實性,并且通過分析不同功率和充液率下U形重力熱管的熱阻,來研究在不同的加熱功率下和不同的充液率下對U形重力熱管的傳熱影響。

    1 U形重力熱管計算模型

    1.1 重力熱管工作原理

    傳統(tǒng)形式的重力熱管的工作原理如圖1所示,可將重力熱管從下到上分為3段:蒸發(fā)端,絕熱段,冷凝端。管內(nèi)工質(zhì)在蒸發(fā)端吸收潛熱相變產(chǎn)生的蒸汽,通過中間的部分—絕熱段到達冷凝端釋放流體的潛熱,凝結(jié)為液體,并通過重力作用回到蒸發(fā)端,不斷重復循環(huán)工作來達到通過液體的潛熱進行熱量傳遞。本文采用U形結(jié)構(gòu),熱管的工作原理與重力熱管相似,不同點在于U形結(jié)構(gòu)重力熱管有兩個冷卻端,對比于單一冷凝端的重力熱管,其散熱應該比傳統(tǒng)的重力熱管有了改善。

    圖1 重力熱管的工作原理

    1.2 VOF模型

    傳統(tǒng)的多相流模型可采用的有VOF模型、mixture模型和歐拉模型。由于VOF模型具有清晰的相間界面部分,因此能夠很好地觀察管內(nèi)蒸發(fā)冷凝現(xiàn)象。VOF模型通過求解N-S方程來對各相體積分數(shù)進行追蹤,從而能夠清晰地看到每相的分布狀態(tài),這也是使用VOF模型進行模擬的原因。由于VOF模型要求每一個CELL中必須存在相的體積分數(shù),每一個CELL的體積分數(shù)總和為1,用ai表示某一個相的體積分數(shù),當ai=1時,則該網(wǎng)格單元中被某相充滿且無其他相存在,若ai=0,則該網(wǎng)格單元中該相的體積分數(shù)為零,當0<ai<1時,網(wǎng)格單元中存在多相。

    1.3 控制方程和源項

    本文采用二維坐標對U形熱管進行仿真,用連續(xù)性方程、動量方程、能量方程來解析流體的運動,并運用液相和氣相的質(zhì)量源項及能量源項,添加到控制方程當中。

    1)連續(xù)性方程:

    式中:ρ為密度;μ為動力黏度;ρl為液態(tài)水密度并且為常數(shù),998 kg/m3。

    3)能量方程:

    本文采用FLUENT2021版本對U形熱管進行模擬仿真,研究熱管內(nèi)部蒸發(fā)冷凝過程,因為蒸發(fā)冷凝涉及到一個傳熱和傳質(zhì)的過程,因此通過編寫UDF函數(shù)對這兩個過程進行實現(xiàn),如表1所示,根據(jù)Schepper[11]提出的氣液兩相質(zhì)量能量的傳遞公式,定義液體的飽和溫度,但由于管內(nèi)真空的原因,因此在此處將飽和溫度TSAT設(shè)定為30 ℃,ΔH為水的相變潛熱,設(shè)定為2 600 000 J/kg,分別將能量源項和氣液質(zhì)量源項導入到FLUENT。

    表1 質(zhì)量與能量源項傳遞公式

    1.4 數(shù)值模型建立1)網(wǎng)格劃分。

    使用ICEM軟件對網(wǎng)格進行劃分,熱管總長630 mm,管徑為φ8 mm,蒸發(fā)端為單側(cè)加熱,長為120 mm,冷凝端位于U形管頂部且分為兩部分,長為40 mm,寬為8 mm,模型使用2D,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分保證網(wǎng)格質(zhì)量,并且對管壁區(qū)域進行加密,處理如圖3所示,模型的數(shù)據(jù)如圖2 所示,為了驗證網(wǎng)格數(shù)對結(jié)果的影響,對網(wǎng)格數(shù)進行獨立性研究,如表2所示,本文選擇網(wǎng)格數(shù)為10 822進行計算。

    圖2 U形熱管的尺寸

    圖3 邊界處網(wǎng)格加密處理

    表2 網(wǎng)格獨立性分析

    2)邊界條件。

    為了保證求解的穩(wěn)定性,做出如下假設(shè):首先假設(shè)管內(nèi)水的密度不隨溫度變化,固定為998 kg/m3,其次為了保證蒸發(fā)冷凝現(xiàn)象快速出現(xiàn),設(shè)定管內(nèi)工質(zhì)的物性不隨管內(nèi)壓力而變化,并且忽略了壁面厚度,初始充液率采用100%進行計算(充液率的百分比根據(jù)蒸發(fā)端的體積來確定),軟件設(shè)置中使用壓力基求解器,重力方向為豎直向下,加熱端為固定熱流密度,其大小為50 000 W/m2,冷凝端設(shè)置為對流換熱,對流換熱系數(shù)為475 W/(m2·K),管外冷卻水的溫度為288 K,初始管內(nèi)水溫大小為298 K,操作壓力模擬為真空環(huán)境下,大小為4000 Pa,工質(zhì)的飽和溫度為30 ℃,采用k-e湍流模型,并且添加表面張力模型,將UDF載入到方程中,采用VOF模型進行計算,步長初始值大小為0.001S,求解方法使用SIMPLE算法,壓力差值采用PISO,能量與動量采用二階迎風格式,體積分數(shù)采用Georeconstruct方法。為了保證運算過程質(zhì)量守恒,將質(zhì)量的殘差設(shè)置為10-5,能量殘差保持默認值設(shè)置即為10-6,將每個時間從默認的20改為35次,通過在FLUENT的初試化設(shè)置后,對充液率進行PATCH操作,可以更改初始的充液率,研究充液率分別為80%、100%、120%的情況下對熱管的傳熱影響。

    2 仿真結(jié)果與討論

    2.1 蒸發(fā)冷凝流態(tài)分析

    圖4是加熱功率為60 W時的蒸發(fā)端蒸汽的體積分數(shù)分布圖,深灰色部分為水的體積分數(shù),黑色部分為水蒸氣。當t=0 s時,水相充滿了蒸發(fā)端,受到恒定的熱流密度加熱后,在近壁面出產(chǎn)生氣泡核心,繼續(xù)受熱后,氣泡核心漸漸長大,并開始聚合,隨后脫離壁面上升,隨著氣泡的上升,氣泡會越來越大,最后沖出液面,隨著加熱的進行,越來越多的蒸汽聚齊,大量的飽和蒸汽會向冷凝端移動,飽和蒸汽到達冷凝端,接觸到冷凝端的壁面后蒸汽會釋放其潛熱,一開始其為珠狀凝結(jié),慢慢水珠長大后,受到重力作用又會回流到蒸發(fā)端,產(chǎn)生一層水膜,此后的冷凝方式為膜狀凝結(jié)。達到穩(wěn)定時的膜狀凝結(jié)如圖5所示。

    圖4 不同時刻下蒸發(fā)端內(nèi)氣相體積分數(shù)

    圖5 達到穩(wěn)態(tài)時的液膜

    2.2 U形熱管的傳熱分析

    一般通過定義熱阻來考察傳熱設(shè)備的效率,熱阻的具體表達式如下:

    式中:Q為總傳熱量;R為熱阻;Teav,CFD為蒸發(fā)端的平均溫度;Tcav,CFD為冷凝端的平均溫度;Qin為熱流密度。

    圖6給出了U形重力熱管在不同功率下壁面溫度的折線分布,從圖中可以看出,在相同的加熱功率下,沿著管壁處溫度先升高然后會出現(xiàn)降低,且在加熱端的加熱功率的增加導致蒸發(fā)端溫度提升,冷凝端對加熱功率的增加變化幅度較小。根據(jù)式(9)可以計算熱阻值,熱管的熱阻會隨著加熱功率的增加而降低。圖7給出不同功率下熱管的熱阻隨加熱功率的變化。這是由于隨著加熱功率的上升,蒸發(fā)端流體產(chǎn)生氣泡的速率會加快,相變速率提高,熱流密度的增加雖然會提高蒸發(fā)端的溫度,但其能夠傳遞的熱量也會提升,因此U 形熱管的傳熱性能也會有所提高。

    圖6 不同功率下U形熱管的溫度分布

    圖7 不同加熱功率下熱管的熱阻

    2.3 不同充液率下U 形熱管的傳熱性能分析

    U 形管的充液率為水占蒸發(fā)端的體積分數(shù),圖8為當加熱功率為100 W的時候不同充液率下U形熱管的壁溫分布圖,從圖中可以看出,在熱管的底部,各種充液率下溫度大致相同,而80%充液率下,由于充液量小的原因,在熱管蒸發(fā)端液面處的位置,會出現(xiàn)一段溫度升高的過程,100%充液率下,壁溫的顯著升高階段比小充液率會往后延遲,但是壁溫明顯比80%充液率要低,這是因為在80%充液率下,到達穩(wěn)態(tài)后,蒸發(fā)端頂部管壁處出現(xiàn)了局部蒸干現(xiàn)象,導致溫度出現(xiàn)升高,而在120%充液率下,蒸發(fā)端覆蓋滿了液體,溫度變化范圍小,但是在液面交接處,蒸汽的溫度依然比較高,因此在絕熱段溫度比在其他兩種充液率下會有明顯的升高。當加熱功率為200 W時,蒸發(fā)端溫度有所提升,但是上述現(xiàn)象也會變得更加明顯,如圖9所示:在80%充液率下,壁溫的最高點比在100%充液率和120%充液率下高度低,而在120%充液率下,在管壁高為60~90 mm處的溫度會比其他兩種充液率下的溫度要高。在小加熱功率下,110~138 mm處,即冷端的溫度隨充液率變化的范圍不大,但在較高的加熱功率下,較高的充液率會導致冷凝端(110~138 mm)的溫度有所升高,因此也可得知:在較小的加熱功率下(100 W 以下),充液率對U形重力熱管熱阻的影響較小,然而當熱流密度提高到200 W 時,U形重力熱管的熱阻會隨著充液率的升高而減小。

    圖8 100 W 加熱功率下不同充液率壁溫分布

    圖9 200 W 加熱功率下不同充液率壁溫分布

    3 結(jié)論

    通過使用FLUENT對3種不同熱流密度下U形重力熱管內(nèi)的數(shù)值模擬分析,且研究了2種不同加熱功率下不同充液率對U形重力熱管的傳熱影響,得出以下結(jié)論:本文通過使用FLUENT軟件對熱管內(nèi)蒸發(fā)冷凝現(xiàn)象進行了模擬,比較真實地觀察了管內(nèi)傳熱過程,VOF模型也能夠?qū)上嘟缑孢M行很好的捕捉。在固定的充液率下,U形重力熱管的熱阻隨著加熱功率的增加會降低,這是因為加大功率導致蒸發(fā)端氣泡生成速率增加,因此傳熱效率得到提高。在較小加熱功率下(100 W),充液率對熱管的熱阻影響很小,對冷凝端溫度的影響不大,但在較高的加熱功率下(200 W),充液率的升高,熱管的熱阻會降低,冷凝端溫度有小幅度的提升。

    猜你喜歡
    液率充液熱阻
    豎直單U型地埋管換熱器埋管間負熱阻現(xiàn)象的參數(shù)化研究與分析
    太陽能學報(2024年3期)2024-06-12 00:00:00
    基于對偶模型的超低含液率濕氣雙參數(shù)測量方法
    基于大數(shù)據(jù)分析的段塞流持液率預測模型
    基于正交試驗的SPCC半球形件充液拉深仿真研究
    充液航天器大角度機動自適應無源控制
    基于ACE算法的水平管道持液率計算模型*
    界面熱阻對L型鎂合金鑄件凝固過程溫度場的影響
    機動管線氣頂排空過程持液率特性的實驗研究
    換熱設(shè)備污垢熱阻和腐蝕監(jiān)測技術(shù)綜述
    梯溫充液拉深成形數(shù)值模擬分析
    墨竹工卡县| 通辽市| 江达县| 张掖市| 内黄县| 贵南县| 宣城市| 瓦房店市| 文安县| 钟祥市| 博乐市| 凤台县| 沭阳县| 高邮市| 如皋市| 治多县| 沽源县| 海南省| 巴青县| 石泉县| 嵩明县| 柳河县| 桦南县| 潞西市| 玉树县| 遂平县| 盈江县| 大洼县| 陕西省| 白河县| 舟山市| 万安县| 招远市| 刚察县| 新和县| 神池县| 沙坪坝区| 都兰县| 上犹县| 基隆市| 都昌县|