某型号重力热管数值模拟研究(附件)【字数：11411】
摘 要摘 要热管的传热能力和范围非常大。在生产及生活中，应用很多，因此它可以在市场上各种形形色色的元件中，脱颖而出。对重力热管的模拟是一个非常复杂的过程。重力热管内部涉及到气液两种状态，气态的水蒸气和液态的水。本文研究对象为重力热管，对重力热管开展数值模拟研究。在数值模拟的过程中，人为的将重力热管划分为三部分。从上至下依次为绝热、冷凝、蒸发。在这三段中，会发生非常复杂的传热过程。在数值模拟之前，要对重力热管的传热原理做一个基本的了解。要弄清在传热过程中，涉及到复杂的传热方程。并且内部的流体也是在不断流动的，不断地进行着转换，因此对于流体的方程，必须要做一些了解。在运算结果时，要知道模型采用的算法，以及控制方程的离散问题。在用软件建立模型的过程中，涉及到Gambit软件和Fluent软件的使用。首先要利用Gambit软件初步画出模型的大致轮廓。然后对其进行网格划分，并且设置边界条件。采用商用软件Fluent对画出的模型进行分析。由于本课题在研究过程中，涉及到液态水的蒸发沸腾问题。故在实验过程中采用UDF程序，对参数做一些基本的设置。本课题在数据该分析时，采用制作表格的形式从划分的三段采取了不同形式的对比。并且实验对比了在三种不同入口功率和三种不同充液率情形下，水流速度分布云图、蒸汽体积比例分布云图、压力分布云图、温度分布云图、速度矢量图的情况。并做了一些分析，提出了数值模拟过程中遇到的问题及解决办法。关键词重力热管； 数值模拟； 充液率； 热流量
目 录
第一章 概述 1
1.1课题研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3主要研究内容 4
1.4亟待解决的问题 4
第二章 热管介绍及模型的建立 5
2.1热管基本组成 5
2.2热管分类 5
2.3热管基本特性 6
2.4重力热管原理 7
2.5重力热管模型构建 7
2.5.1模型研究过程中假设问题 7
2.6本章小结 9
第三章 模型运算和实施过程 10
3.1软件介绍 10
3.2模型设计计算步骤 11
3.2.1启动Gambit 11
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3.2.3利用Fluent进行设置与求解 14
3.3本章小结 20
第四章 求解结果及分析 21
4.1验证数值模拟 21
4.1.1壁面温度比较 21
4.1.2不同功率下壁面随长度改变温度分布比较 22
4.2不同功率条件下云图比较 24
4.3不同充液率条件下云图比较 30
4.4实验过程动态分析 35
4.5小结 36
结 论 38
致 谢 39
参考文献 40
第一章 概述
当今市场上有很多的传热元件，人们所了解的有效的，传热元件之一就包括热管。热管已经在各种热能利用场所得到了广泛的应用，并且产生了很大的影响。
1.1课题研究背景
重力热管，又名为热管，称为“两相闭式热虹吸管”。热管及由它组成的换热器作为一种新型的高效热交换器，已经被广泛应用于宇航的热控制以及电子工业、新能源化学工程、余热回收、化学工程、以及核电工程等方面。热管如果能够得到研究开发对解决我国的能源问题有很大的帮助。
重力热管作为一种非常有效的热学元件。是非常有效的换热元件之一可以在不借助外加动力的前提下将非常巨大的能量通过热管本身很小的截面积做远距离的传输。重力热管与其他热管很大的不同之处在于其没有吸液芯，蒸发气体遇到管壁液化成为冷凝液体，冷凝的液体只要在地球上就会有重力，会沿重力热管管壁流回到起始端。对于热管研究在很早就已经开始了，并且国外的研究比中国更早。
1.2国内外研究现状
在实验方面：
早期很多对热管实验分析研究是通过改变热管的内部的结构来找寻能够强化传热的一些方法。将抑泡管组件融入到重力热管的冷凝段和蒸发段，是由童明伟首先设计制作研究，结果表明，单位时间内传递的热量会有所提高，印证了可以改变热管内部构造能够在一定程度上增强传热的作用的观点。孙世梅[1]将整个封闭热管插入到另一个热管内部，使得二者组成同轴的多孔管，依靠重力作用进行循环传热。研究内容主要包括两个方面，即开孔率和环隙的大小对传热系数的影响。实验表明，当内部的热管在开孔率和环隙大小取不同数值时，外部热管的传热系数也会有一定的影响。何署[2]等设计了一种比孙世梅更加新型的热管，他将热管的内部设置为一根热管，但是这根热管内部可以循环。与普通重力热管相比，内插管设计成循环的管路以后，内部循环产生的液体会流向蒸发段，这在一定程度上，削弱了液体流动产生极限重力对热管传热性能的影响，而且能够防止管内部液体工质蒸发完全，对热管起了一定的保护作用。正是这个原因，使得它比普通热管的传热性能提高了11~13倍。所以也相当于延长了使用时间，提高了热管的经济性。方书起[3]等设计了一种很有创意的方案。将热管的内部设置为螺旋槽构造，将热管内部的螺旋槽设置成具有相同槽数。但是各自槽的距离和深度不同。在模拟相同工况下进行试验，带螺旋槽的热管和普通热管相比，单位时间内传输的热量更多。传热系数也比无螺旋槽的提高了百分之十到百分之二十。李菊香[4]做了一个实验研究，她在热管式平板上选取了很多圆孔。通过不断改变孔径的大小和孔的间距来对比研究。实验表明，在两个孔距离不变的情况下，孔的直径越小，热管式平板的表面温度差会越小。在孔的直径是单一不变量的情况下，孔与孔之间的距离越小，热管式平板的表面温差会越小。Nitipong[5]等将热管倾斜，改变重力热管和地面之间的倾角开展实验研究，通过不断改变倾角，寻找达到操作极限时的影响因素；其结果表明，当管内工质达到干涸极限时，工质的导热性和液膜具有的厚度会对重力热管的传热性能产生很大影响。陶汉中[6]等通过改变倾斜角度对热虹吸管展开实验研究，建立了热管冷凝段传热模型。在外界条件相同的情况下，热管与工作平面之间的角度在十度到五十度时，蒸汽没有在管顶端前就已经凝结。当倾斜角度变小后，冷凝段的有效长度也会受到一定影响。
在理论方面：
可以在以下两个方面对重力热管进行理论分析：一是研究管内部工质在正常工作情况下的流动情况；二是对热管传热系数进行理论上的推导。
蒸发段内部工质在进行传热时主要涉及到三种机理：（1）在重力热管边界处过热度很低，壁面处工质，蒸发段以上的液膜保持连续状态，从蒸发段向下，由于界面具有蒸发作用，液膜厚度随着距离的不断向下而不断变小，这时主要是蒸发换热；（2）随着重力热管壁面处，过热度不断增加，热通量也在升高，蒸发段壁面处液体开始沸腾，开始产生气泡，然后由于气泡密度较小，在工质中不断上升直至液面，在这个过程中气泡会逐渐变大，最终破裂，这种通过气泡来传递热量的是一个过渡的区间。（3）伴随着热流密度不断增大，气泡由在液体内部破裂逐渐转变为在液体表面处破裂，液泡边缘会产生比较薄的液膜层，此时液泡就会携带液体小液滴到气体中，气泡不断生成运动，会对液体产生一定扰动，这个过程是核状沸腾的核心过程。
ElGenk[7]等，通过各种实验研究，提出了热管内部工质工作时会产生液膜。并详细分析了液膜与管壁之间的换热过程。提出了Nusselt关联式
目 录
第一章 概述 1
1.1课题研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3主要研究内容 4
1.4亟待解决的问题 4
第二章 热管介绍及模型的建立 5
2.1热管基本组成 5
2.2热管分类 5
2.3热管基本特性 6
2.4重力热管原理 7
2.5重力热管模型构建 7
2.5.1模型研究过程中假设问题 7
2.6本章小结 9
第三章 模型运算和实施过程 10
3.1软件介绍 10
3.2模型设计计算步骤 11
3.2.1启动Gambit 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
3.2.3利用Fluent进行设置与求解 14
3.3本章小结 20
第四章 求解结果及分析 21
4.1验证数值模拟 21
4.1.1壁面温度比较 21
4.1.2不同功率下壁面随长度改变温度分布比较 22
4.2不同功率条件下云图比较 24
4.3不同充液率条件下云图比较 30
4.4实验过程动态分析 35
4.5小结 36
结 论 38
致 谢 39
参考文献 40
第一章 概述
当今市场上有很多的传热元件，人们所了解的有效的，传热元件之一就包括热管。热管已经在各种热能利用场所得到了广泛的应用，并且产生了很大的影响。
1.1课题研究背景
重力热管，又名为热管，称为“两相闭式热虹吸管”。热管及由它组成的换热器作为一种新型的高效热交换器，已经被广泛应用于宇航的热控制以及电子工业、新能源化学工程、余热回收、化学工程、以及核电工程等方面。热管如果能够得到研究开发对解决我国的能源问题有很大的帮助。
重力热管作为一种非常有效的热学元件。是非常有效的换热元件之一可以在不借助外加动力的前提下将非常巨大的能量通过热管本身很小的截面积做远距离的传输。重力热管与其他热管很大的不同之处在于其没有吸液芯，蒸发气体遇到管壁液化成为冷凝液体，冷凝的液体只要在地球上就会有重力，会沿重力热管管壁流回到起始端。对于热管研究在很早就已经开始了，并且国外的研究比中国更早。
1.2国内外研究现状
在实验方面：
早期很多对热管实验分析研究是通过改变热管的内部的结构来找寻能够强化传热的一些方法。将抑泡管组件融入到重力热管的冷凝段和蒸发段，是由童明伟首先设计制作研究，结果表明，单位时间内传递的热量会有所提高，印证了可以改变热管内部构造能够在一定程度上增强传热的作用的观点。孙世梅[1]将整个封闭热管插入到另一个热管内部，使得二者组成同轴的多孔管，依靠重力作用进行循环传热。研究内容主要包括两个方面，即开孔率和环隙的大小对传热系数的影响。实验表明，当内部的热管在开孔率和环隙大小取不同数值时，外部热管的传热系数也会有一定的影响。何署[2]等设计了一种比孙世梅更加新型的热管，他将热管的内部设置为一根热管，但是这根热管内部可以循环。与普通重力热管相比，内插管设计成循环的管路以后，内部循环产生的液体会流向蒸发段，这在一定程度上，削弱了液体流动产生极限重力对热管传热性能的影响，而且能够防止管内部液体工质蒸发完全，对热管起了一定的保护作用。正是这个原因，使得它比普通热管的传热性能提高了11~13倍。所以也相当于延长了使用时间，提高了热管的经济性。方书起[3]等设计了一种很有创意的方案。将热管的内部设置为螺旋槽构造，将热管内部的螺旋槽设置成具有相同槽数。但是各自槽的距离和深度不同。在模拟相同工况下进行试验，带螺旋槽的热管和普通热管相比，单位时间内传输的热量更多。传热系数也比无螺旋槽的提高了百分之十到百分之二十。李菊香[4]做了一个实验研究，她在热管式平板上选取了很多圆孔。通过不断改变孔径的大小和孔的间距来对比研究。实验表明，在两个孔距离不变的情况下，孔的直径越小，热管式平板的表面温度差会越小。在孔的直径是单一不变量的情况下，孔与孔之间的距离越小，热管式平板的表面温差会越小。Nitipong[5]等将热管倾斜，改变重力热管和地面之间的倾角开展实验研究，通过不断改变倾角，寻找达到操作极限时的影响因素；其结果表明，当管内工质达到干涸极限时，工质的导热性和液膜具有的厚度会对重力热管的传热性能产生很大影响。陶汉中[6]等通过改变倾斜角度对热虹吸管展开实验研究，建立了热管冷凝段传热模型。在外界条件相同的情况下，热管与工作平面之间的角度在十度到五十度时，蒸汽没有在管顶端前就已经凝结。当倾斜角度变小后，冷凝段的有效长度也会受到一定影响。
在理论方面：
可以在以下两个方面对重力热管进行理论分析：一是研究管内部工质在正常工作情况下的流动情况；二是对热管传热系数进行理论上的推导。
蒸发段内部工质在进行传热时主要涉及到三种机理：（1）在重力热管边界处过热度很低，壁面处工质，蒸发段以上的液膜保持连续状态，从蒸发段向下，由于界面具有蒸发作用，液膜厚度随着距离的不断向下而不断变小，这时主要是蒸发换热；（2）随着重力热管壁面处，过热度不断增加，热通量也在升高，蒸发段壁面处液体开始沸腾，开始产生气泡，然后由于气泡密度较小，在工质中不断上升直至液面，在这个过程中气泡会逐渐变大，最终破裂，这种通过气泡来传递热量的是一个过渡的区间。（3）伴随着热流密度不断增大，气泡由在液体内部破裂逐渐转变为在液体表面处破裂，液泡边缘会产生比较薄的液膜层，此时液泡就会携带液体小液滴到气体中，气泡不断生成运动，会对液体产生一定扰动，这个过程是核状沸腾的核心过程。
ElGenk[7]等，通过各种实验研究，提出了热管内部工质工作时会产生液膜。并详细分析了液膜与管壁之间的换热过程。提出了Nusselt关联式
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