重力热管数学模型的建立及求解过程及程序设计

新型重力热管换热器传热性能的实验研究曹小林;曹双俊;曾伟;王芳芳;李江;池东【摘要】基于常规重力热管换热器难以安装翅片结构以强化管外换热,提出一种新型结构形式的重力热管换热器,该热管由一些并排的矩形通道而不是通常的圆管组成.并建立实验测试平台,进行一系列对比实验,重点分析加热功率、工质充液率、倾角及冷凝段风速对其运行热阻的影响.研究结果表明:加热功率对热管的运行性能有重要影响;当工质充液率约为20％时,热管换热器具有最小运行热阻;在最佳充液率为20％和加热功率为360 W时,运行热阻随倾角的增加有减小趋势,但当加热功率较大时,倾角对热管换热器的运行热阻影响不大；随着冷凝端风速的增加,热管换热器的运行热阻不断减小.%Based on the fact that normal gravity-assisted heat pipes are difficult to be enhanced with fins, an innovative gravity-assisted heat pipe was developed, which is made of several rectangular channels in parallel instead of normal round channels. A test apparatus was set up, with which the influences of heating input power, filling ratio, inclination angle and air velocity at condenser section on the heat transfer performance were investigated by contrast tests. The results show that heating input power has an important effect on heat transfer characteristics. The minimum heat transfer resistance is gotten at the filling ratio of about 20%. When filling ratio is 20%, the thermal resistance decreases slightly with the increase of the inclination angle when the input power is 360 W, but the inclination angle has little effect on thermal resistance for higher heat input power. The thermal resistance decreases gradually as the air velocity with the increase of condenser section.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(043)006【总页数】5页(P2419-2423)【关键词】传热;换热器;热管;热阻【作者】曹小林;曹双俊;曾伟;王芳芳;李江;池东【作者单位】中南大学能源科学与工程学院,流程工业节能湖南省重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,流程工业节能湖南省重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,流程工业节能湖南省重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,流程工业节能湖南省重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,流程工业节能湖南省重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,流程工业节能湖南省重点实验室,湖南长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TK172与普通热管相比，重力热管不仅结构简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良、工作可靠。

科技视界Science &TechnologyVisionDOI :10.19694/ki.issn2095-2457.2022.24.050引言重力热管是一种高效传热元件，与其他类型热管相比，重力热管具有结构简单、体积紧凑、传热效率高、工作可靠等优点，广泛应用于冻土保护、空气调节、地热利用、余热利用以及电子设备散热等领域[1]。

在许多热利用的场合，要求将热管的工作温度控制在一定区间内。

现有的重力热管控温方案虽然能够控制重力热管工作的最高温度，但无法控制重力热管的工作温度区间。

本文探究了可控制温度区间的重力热管设计方案，有利于进一步扩展重力热管的应用场景，拓展其适用范围。

1重力热管的基本工作原理1.1重力热管工作原理重力热管分为蒸发段、绝热段和冷凝段三个区域，如图1所示。

当重收稿日期:2022-02-07※基金项目:山东省高等学校青创科技支持计划(2019KJN024);鲁渝科技协作计划(cstc2020jscx-lyjsAX0008);国家海洋局海洋遥测工程技术研究中心开放基金(2018002);山东科技大学教学名师培育计划。

作者简介:吕赛赛,山东科技大学本科生,研究方向为软件工程。

李培荣,中级工程师,本科,研究方向为自动化及电控开发。

李婕,山东科技大学本科生,研究方向为计算机科学与技术。

*通信作者:鲁法明,副教授,博士,研究方向为人工智能、并发系统建模与分析等。

图1重力热管工作原理11211.2.【摘要】文章通过探究重力热管的工作原理及现有控温方案,提出一种可控制温度区间的重力热管设计方案。

该方案可以在重力热管温度高于额定高温时阻止冷源温度持续升高,在重力热管温度低于额定低温时提高蒸发段的蒸发温度,实现重力热管工作温度区间的控制。

该重力热管可应用于多种需要换热且对工作温度有区间要求的设备。

【关键词】重力热管;控温;传热科创新知016Copyright ©博看网. All Rights Reserved.Science &Technology Vision科技视界力热管工作时，蒸发段的液态传热介质通过热管管壁吸收热源热量蒸发汽化，该蒸汽在微小的压差下经过绝热段到达冷凝段将热量通过热管壁传递给冷源，在冷端遇冷后，传热介质释放出热量后冷凝结成液体，液体再依靠重力流回蒸发段，如此反复循环传递热量。

第３４卷㊀第４期沈㊀阳㊀化㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报Ｖｏｌ.３４㊀Ｎｏ.４２０２０.１２ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＥＮＹＡＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＣＨＥＭＩＣＡＬＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＤｅｃ.２０２０收稿日期:㊀２０１９－０３－２６基金项目:㊀国家自然科学基金面上项目(６１４７３０５６)作者简介:㊀战洪仁(１９６４ )ꎬ女ꎬ山东蓬莱人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ主要从事强化传热与节能技术的研究.文章编号:㊀２０９５－２１９８(２０２０)０４－０３５２－０６带有内螺纹的重力热管仿真模拟研究战洪仁ꎬ㊀张倩倩ꎬ㊀史㊀胜ꎬ㊀王立鹏ꎬ㊀惠㊀尧(沈阳化工大学能源与动力工程学院ꎬ辽宁沈阳１１０１４２)摘㊀要:㊀通过数值模拟研究ꎬ在不同加热功率条件下分析蒸发段有无内螺纹的重力热管数值模型ꎬ利用沸腾传热机理结合模拟结果分析加热功率㊁蒸发段内壁有无内螺纹对重力热管传热性能的影响.结果表明:在其他条件相同时ꎬ同一时刻下蒸发段带有内螺纹的重力热管生成汽泡更快且数量更多ꎬ从而缩短了达到沸腾时所需的时间ꎬ提高了传热效率.总体上ꎬ蒸发段带有内螺纹的重力热管的传热系数比普通管高ꎬ管内传热得到了强化.关键词:㊀重力热管ꎻ㊀内螺纹ꎻ㊀数值模拟ꎻ㊀传热系数ꎻ㊀强化传热ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－２１９８.２０２０.０４.０１３中图分类号:㊀ＴＫ１７２ ４㊀㊀㊀文献标识码:㊀Ａ㊀㊀热管是一种高效的传热元件ꎬ比较常见的是两相闭式热虹吸管(ＴＰＣＴ)ꎬ也称为重力热管.由于其高效的传热性能ꎬ使其在制冷[１]㊁太阳能[２－３]㊁采暖[４]㊁余热回收[５－６]等方面广泛应用.随着研究成果越来越多ꎬ人们开始通过不同角度对热管进行更深层次的探索.近年来许多学者通过实验方法研究了表面异形结构[７－８]对热管传热效果的影响.Ｗａｎｇ等[９]研究了带有内螺旋结构的两相闭式热虹吸管冷凝段的传热性能ꎬ实验结果证明内螺旋结构的设计不仅可以提高两相闭式热虹吸管的冷凝传热系数ꎬ还改善了冷凝段的热响应特性.方书起等[１０]在重力热管的管内表面加上螺旋槽ꎬ通过对比螺旋槽热管和光滑热管的实验结果发现螺旋槽热管的等效对流换热系数比光滑热管的等效对流换热系数高出１０％~２３％.邓斌等[１１]研究了不同处齿形内螺纹传热管的蒸发性能ꎬ实验表明交叉齿管的传热性能明显高于普通管的传热性能ꎬ这是因为一方面换热面积得到增加ꎬ另一方面主齿和副齿之间形成的小凹坑可以增加换热过程中的汽化核心.杜斌等[１２－１３]在实验条件下研究了不同单线内螺纹分布的内螺纹重力热管的换热系数.实验发现在整根重力热管的内表面布置内螺纹结构时ꎬ热管的换热系数能够得到明显提高ꎬ而且随着油浴温度的增加换热系数呈线性增加.辛公明等[１４－１６]在实验条件下测定了交叉齿内螺纹重力热管在水平和垂直条件下的传热特性ꎬ实验结果表明:在水平条件下ꎬ交叉齿内螺纹重力热管比普通热管表现出较高的传热极限ꎻ在垂直条件下ꎬ虽然在较低功率时交叉齿内螺纹热管的传热极限低于普通重力热管ꎬ但随着加热功率的增加其传热极限明显高于普通重力热管.综上所述ꎬ对带有内螺纹重力热管的实验研究成果较多ꎬ但目前的实验成果并未能深入地阐述其强化传热机理.通过建立数值模型求解两相闭式热虹吸管内部的传热机理ꎬ不仅降低了研究成本ꎬ也使热管内部的可视化分析更为容易.本文建立了蒸发段带有内螺纹的两相闭式热虹吸管的数值模型ꎬ通过ＣＦＤ(ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ)软件对其进行模拟计算ꎬ并进行可视化研究和分析ꎬ以期获得内螺纹对热管内部复杂两相流传热机理的影响规律ꎬ从而为工程实践提㊀第４期战洪仁ꎬ等:带有内螺纹的重力热管仿真模拟研究３５３㊀供理论支持.１㊀数值模拟１ １㊀几何模型的选择根据两相闭式热虹吸管的工作原理建立如图１所示模型.两相闭式热虹吸管分为加热段㊁绝热段和冷凝段３部分ꎬ内部没有吸液芯ꎬ依靠重力作用使管内工质进行循环运动.热管全长６００ｍｍꎬ外径１０ｍｍꎬ壁厚１ｍｍ.蒸发段㊁绝热段和冷凝段长度分别为２００ｍｍ㊁１００ｍｍ和３００ｍｍꎬ内螺纹的螺距１ｍｍꎬ齿高０ ５ｍｍ.计算使用的二维模型如图２所示ꎬ在管内工质主要相变的壁面处进行网格加密处理ꎬ加密后流体区域的网格总数为１３６２７２.模拟设置的加热功率分别为２５Ｗ㊁４１Ｗ㊁５７Ｗ㊁７３Ｗ㊁８９Ｗ和１０８Ｗꎬ在模型的外壁面处设置测温点.加热段设置４个监测点:ｅ１㊁ｅ２㊁ｅ３和ｅ４ꎻ绝热段设置２个监测点:ａ１和ａ２ꎻ冷凝段设置４个监测点:ｃ１㊁ｃ２㊁ｃ３和ｃ４.具体位置如图３所示.图１㊀带有内螺纹的两相闭式热虹吸管示意图Ｆｉｇ １㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｗｏｐｈａｓｅｃｌｏｓｅｄｔｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎｗｉｔｈｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｒｅａｄｓ图２㊀计算网格模型Ｆｉｇ ２㊀Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｇｒｉｄｍｏｄｅｌ图３㊀温度监测点分布示意图Ｆｉｇ ３㊀Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍ１ ２㊀相变模型蒸发和冷凝过程的质量源项(Ｓｑ)和能量源项(Ｓｅ)用ＤｅＳｃｈｅｐｐｅｒ等[１７]的研究结果来设置ꎬ如表１所示.在质量源项中蒸发段液相的弛豫时间参数为－０ １ꎬ气相的弛豫时间参数为０ １.而冷凝段刚好与之相反.在能量方程中蒸发段的弛豫时间参数为－０ １ꎬ冷凝段的弛豫时间参数为０ １.Ｔｓ表示工质的饱和温度ꎻΔＨ表示蒸汽焓ꎬ单位物质的能量变化.表１㊀质量源项和能量源项表示Ｔａｂｌｅ１㊀Ｔｈｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｑｕａｌｉｔｙｓｏｕｒｃｅｔｅｒｍａｎｄｅｎｅｒｇｙｓｏｕｒｃｅｔｅｒｍ位置质量传递液相气相能量传递蒸发段Ｓｑ＝－０.１αｌρｌＴｌ－ＴｓＴｓＳｑ＝０.１αｌρｌＴｌ－ＴｓＴｓＳｅ＝－０.１αｌρｌＴｌ－ＴｓＴｓΔＨ冷凝段Ｓｑ＝０.１αｖρｖＴｖ－ＴｓＴｓＳｑ＝－０.１αｖρｖＴｖ－ＴｓＴｓＳｅ＝０.１αｖρｖＴｖ－ＴｓＴｓΔＨ㊀３５４㊀沈㊀阳㊀化㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年１ ３㊀ＶＯＦ模型在Ｆｌｕｅｎｔ软件中设置模拟条件时ꎬ由于实际影响因素比较复杂ꎬ所以假设管内气体是理想不可压缩气体.目前在Ｆｌｕｅｎｔ软件中提供了３种模型ꎬ分别是流体体积函数模型(ＶＯＦ)㊁混合模型(ｍｉｘｔｕｒｅ)和欧拉模型(ｅｕｌｅｒｉａｎ).研究结果表明ＶＯＦ模型更适合重力热管内部流动过程的计算[１８].在ＶＯＦ模型中ꎬ各相体积分数的计算采用基于网格的表面跟踪方法ꎬ在单元控制容积中所有相的体积分数之和为１ꎬ即αｌ＋αｖ＝１.(１)㊀㊀在Ｆｌｕｅｎｔ软件中需要通过设定方程式来进行计算ꎬＶＯＦ模型中通常需要３大方程:连续性方程㊁动量方程和能量方程.连续性方程为∂αｑ∂ｔ＋Ñ (αｑｕ)＝Ｓｑρｑ(２)其中:Ｓｑ是连续性方程中的质量源项ꎬｋｇ/(ｍ３ ｓ)ꎻρ是密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻｕ是各相的实际速率ꎬｍ/ｓꎻｔ为时间ꎬｓ.混合相的密度和动力黏度系数由体积分数决定ꎬ所以有ρ＝ð２ｑ＝１αｑρｑꎬ(３)μ＝ð２ｑ＝１αｑμｑ.(４)动量方程为∂∂ｔ(ρｕ)＋Ñ ρｕｕ＝－Ñｐ＋Ñ[μÑｕ＋Ñｕ]＋ρｇ＋ＦＣＳＦ.(５)其中:ｐ是压强ꎬＮ/ｍ２ꎻμ是动力黏度系数ꎬＰａ ｓꎻｇ是重力加速度ꎬｍ/ｓ２ꎻＦＣＳＦ是单位流体所受表面张力大小ꎬＮ/ｍ３ꎻｕ是实际速度矢量ꎬｍ/ｓ.能量方程为∂∂ｔ(ρＥ)＋Ñ[ｕ(ρＥ＋ｐ)]＝Ñ(ＫｅｆｆÑＴ)＋Ｓｅ.(６)其中:Ｅ是控制体比能ꎬＪ/ｋｇꎻＳｅ是相变能量源项ꎬＷ/ｍ３ꎻＫｅｆｆ是有效导热系数ꎬＷ/(ｍ２ Ｋ)ꎻＴ是温度ꎬＫ.傅里叶定律揭示了导热问题的基本规律:在导热现象中ꎬ单位时间内通过给定截面的热量正比于垂直该截面方向上的温度变化率和截面面积ꎬ而热量传递的方向与温度升高的方向相反.由傅里叶定律结合能量守恒建立导热微分方程[１９]ρｃ∂ｔ∂τ＝∂∂ｘλ∂ｔ∂ｘæèçöø÷＋∂∂ｙλ∂ｔ∂ｙæèçöø÷＋∂∂ｚλ∂ｔ∂ｚæèçöø÷＋̇φ.(７)其中:ρ为微元体的密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻｃ为微元体的比热容ꎬＪ/(ｋｇ Ｋ)ꎻλ为微元体的导热系数ꎬＷ/ (ｍ Ｋ)ꎻ̇ϕ为内热源.分别计算分析带有内螺纹和光滑内表面的两相闭式热虹吸管的蒸发段和冷凝段的传热系数ꎬ方程式[２０]为ｈｅ＝ＱπｄｉＬｅ( Ｔｅ－Ｔｓ)ꎬ(８)ｈｃ＝ＱπｄｉＬｃ(Ｔｓ－ Ｔｃ).(９)为了验证数值模拟结果的可靠性ꎬ选用２００Ｗ的加热功率下ꎬ倾角为９０ʎ的带有内螺纹热管为验证对象ꎬ将数值模拟结果和实验结果进行比对.图４所示是在带有内螺纹的热管运行状况达到稳定状况后的某一时刻下模拟所得温度与实验所得温度[２１]的对比图ꎬ结果表明实验所得温度与模拟温度吻合较好ꎬ最大温度误差为５ １９％.图４㊀实验壁温与模拟壁温的对比Ｆｉｇ ４㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ㊀㊀图５所示为热管运行达到稳定阶段时的温度分布云图.由图５可以看出:在热管的冷凝段ꎬ温度由中心向壁面处呈下降趋势.这是因为来自蒸发段的过热蒸汽经过绝热段到达冷凝段之后ꎬ在冷凝段的冷却作用下过热蒸汽在内壁面处液㊀第４期战洪仁ꎬ等:带有内螺纹的重力热管仿真模拟研究３５５㊀化ꎬ从而使壁面处温度降低.最终液化后的工质会以液膜的形式返回到蒸发段.图５㊀冷凝段温度分布云图Ｆｉｇ ５㊀Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｐｈｏｇｒａｍｏｆｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎ２㊀模拟结果及分析２ １㊀蒸发段内螺纹对汽化核心的影响与传统的两相闭式热虹吸管相比ꎬ改变热管蒸发段的内壁面结构可以很大程度地提高传热效果.图６所示为加热功率７３Ｗ时ꎬ蒸发段带有内螺纹的铜－水重力热管的气－液相体积分数云图ꎬ图中的红色区域代表气相ꎬ蓝色区域代表液相.由图６(ａ)可知ꎬ０ ４ｓ时在内螺纹附近有大量汽泡生成ꎬ在相同时刻的图６(ｂ)的光滑管内汽泡数量相对较少.由此可见内螺纹的存在可以大大增加汽化核心的数量ꎬ缩短产生汽泡的时间.随着加热时间的增加ꎬ蒸发段内部的汽泡逐渐长大ꎬ破裂ꎬ然后合并成大汽泡并进行上升运动ꎬ此时管内工质开始沸腾.图６㊀不同结构的重力热管蒸发段气－液相体积分数云图Ｆｉｇ ６㊀Ｖａｐｏｒ－ｌｉｑｕｉｄｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｎｅｐｈｏｇｒａｍｏｆｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇｓｅｃｔｉｏｎｏｆｇｒａｖｉｔｙｈｅａｔｐｉｐｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ２ ２㊀蒸发段带有内螺纹对传热系数ｈｅ的影响图７所示为蒸发段带有内螺纹的重力热管的传热系数ｈｅ随加热功率的变化.图７㊀不同加热功率下螺纹管和光滑管蒸发传热系数的对比Ｆｉｇ ７㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅａｄｅｄｔｕｂｅａｎｄｏｒｄｉｎａｒｙｐｉｐｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｐｕｔｐｏｗｅｒ㊀㊀由图７可知:内螺纹重力热管的ｈｅ随着加热功率的增加呈现出先增大后减小的趋势ꎬ在加热功率为７３Ｗ时蒸发段的传热系数达到最大值ꎬ普通管的ｈｅ随加热功率增大而持续增大.这时因为在加热功率逐渐增大的情况下ꎬ热管内产生的汽泡逐渐增多ꎬ在汽泡的成长和脱离过程中ꎬ会对壁面附近的工质产生扰动作用ꎬ促进工质运动ꎬ从而增大换热系数.但是在蒸发段带有内螺纹的重力热管中ꎬ随着加热功率继续增大ꎬ在内螺纹凹槽中产生的汽泡不能及时运动到液㊀３５６㊀沈㊀阳㊀化㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年面ꎬ管内传热达到极限ꎬ对流传热系数减小ꎬ使传热恶化.２ ３㊀蒸发段带有内螺纹对传热系数ｈｃ的影响由图８可知重力热管冷凝段的传热系数ｈｃ随着加热功率的增大而增大ꎬ且蒸发段带有内螺纹的重力热管的ｈｃ比普通管的ｈｃ高.这是因为在蒸发段加热功率增大的情况下ꎬ汽泡数量的增多会增加蒸汽运动速度ꎬ下降液膜与上升蒸汽的相对运动速度大幅增加ꎬ从而在气－液临界面处对冷凝液膜产生扰动ꎬ进而削弱液膜厚度并使液膜由连续状态转变为分散的液滴ꎬ冷凝段传热机理向珠状凝结转变ꎬ如图９所示.因此削弱液膜导热热阻[２１]并增强蒸汽与热管壁面之间的对流换热强度可提高换热系数.图８㊀不同加热功率下螺纹管和普通管冷凝段传热系数的对比Ｆｉｇ ８㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅａｄｅｄｔｕｂｅａｎｄｏｒｄｉｎａｒｙｐｉｐｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｐｕｔｐｏｗｅｒ图９㊀不同加热功率条件下冷凝段壁面凝结状况Ｆｉｇ ９㊀Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｗａｌｌｏｆｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｉｎｇｐｏｗｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ３㊀结㊀论为了对带有内螺纹的重力热管的管内工质运行机理进行更好地分析ꎬ本文研究了蒸发段带有内螺纹的和内壁面光滑的重力热管的数值模拟.在本文研究范围内得出如下结论:(１)在其他条件相同时ꎬ同一时刻下蒸发段带有内螺纹的重力热管生成气泡更快且数量更多ꎬ从而缩短了达到沸腾时所需的时间ꎬ提高了传热效率.(２)蒸发段带有内螺纹的重力热管的ｈｅ在加热功率为７３Ｗ时存在一个最大值ꎬ之后由于内螺纹中生成的气泡不能及时排除而引起干涸极限ꎬ从而使传热系数减小.普通管的ｈｅ随加热功率的增大而增大.(３)随着加热功率的增大ꎬ两种结构重力热管的传热系数都随着加热功率的增大而增大ꎬ在小于最大值７３Ｗ的区域内增长速度较为平稳ꎬ大于或等于最大值区域内由于较大功率的影响使管内冷凝液膜由膜状凝结转变为珠状凝结ꎬ因此增长速度较为剧烈.参考文献:[１]㊀ＭＵＹＨꎬＬＩＧＹꎬＹＵＱＨ.ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｔｕｄｙｏｆＬｏｎｇ－ＴｅｒｍＣｏｏｌｉｎｇＥｆｆｅｃｔｓｏｆＴｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎｓＡｒｏｕｎｄＴｏｗｅｒＦｏｏｔｉｎｇｓｉｎＰｅｒｍａｆｒｏｓｔＲｅｇｉｏｎｓＡ￣ｌｏｎｇＴｈｅＱｉｎｇｈａｉ－ＴｉｂｅｔＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅ[Ｊ].ＣｏｌｄＲｅｇｉｏｎｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１６ꎬ１２１:２３７－２４９.[２]㊀ＡＵＮＧＮＺꎬＬＩＳＪ.ＮｕｍｅｒｉｃａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎＥｆｆｅｃｔｏｆＲｉｓｅｒＤｉａｍｅｔｅｒａｎｄＩｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｏｎＳｙｓｔｅｍＰａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎａＴｗｏ－ＰｈａｓｅＣｌｏｓｅｄＬｏｏｐＴｈｅｒｍｏ￣ｓｙｐｈｏｎＳｏｌａｒＷａｔｅｒＨｅａｔｅｒ[Ｊ].ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ＆Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔꎬ２０１３ꎬ７５(５):２５－３５. [３]㊀ＴＯＮＩＮＥＬＬＩＰꎬＭＡＲＩＡＮＩＡꎬＣＯＬＤＤ.Ｅｘｐｅｒｉ￣ｍｅｎｔｓａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｎａＴｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎＳｏｌａｒＣｏｌｌｅｃｔｏｒｗｉｔｈＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔｏｒａｇｅ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ:ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＳｅｒｉｅｓꎬ２０１５ꎬ６５５(１):１－１１. [４]㊀ＥＩＤＡＮＡＡꎬＮＡＪＩＭＳＥꎬＪＡＬＩＬＪＭ.ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＴｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎＰｅｒ￣ｆｏｒｍａｎｃｅｉｎＨＶＡＣＳｙｓｔｅｍＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｊ].ＨｅａｔａｎｄＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒꎬ２０１６ꎬ５２:２８７９－２８９３. [５]㊀ＫＡＮＮＡＮＭꎬＮＡＴＡＲＡＪＡＮＥ.ＴｈｅｒｍａｌＰｅｒｆｏｒｍ￣㊀第４期战洪仁ꎬ等:带有内螺纹的重力热管仿真模拟研究３５７㊀ａｎｃｅｏｆａＴｗｏ－ＰｈａｓｅＣｌｏｓｅｄＴｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎｆｏｒＷａｓｔｅＨｅａｔＲｅｃｏｖｅｒｙＳｙｓｔｅｍ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐ￣ｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅｓꎬ２０１０ꎬ１０(５):４１３－４１８.[６]㊀ＢＡＲＺＩＹＭꎬＡＳＳＡＤＩＭ.ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａＴｈｅｒｍｏ￣ｓｙｐｈｏｎＨｅａｔＰｉｐｅＯｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎａＷａｓｔｅＨｅａｔＲｅｃｏｖｅｒｙＳｙｓｔｅｍ[Ｊ].ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒꎬ２０１５ꎬ２８(５):４９３－５１０.[７]㊀庄骏ꎬ张红.热管技术及其工程应用[Ｍ].北京:化学工业出版社ꎬ２０００:８２－８６.[８]㊀林宗虎.强化传热及其工程应用[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ１９８７:１２－１８.[９]㊀ＷＡＮＧＸＹꎬＸＩＮＧＭꎬＴＩＡＮＦＺꎬｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｏｆＩｎｔｅｒｎａｌＨｅｌｉｃａｌＭｉｃｒｏｆｉｎｏｎｏｎＣｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎＰｅｒ￣ｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＴｗｏ－ＰｈａｓｅＣｌｏｓｅｄＴｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎ[Ｊ].ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈꎬ２０１２ꎬ５１６－５１７:９－１４.[１０]方书起ꎬ赵凌ꎬ史启辉ꎬ等.螺旋槽重力热管强化传热实验研究[Ｊ].化学工程ꎬ２００８ꎬ３６(６):１９－２１.[１１]邓斌ꎬ王凯ꎬ陶文铨.新齿型内螺纹传热管蒸发性能研究[Ｊ].制冷学报ꎬ２００７ꎬ２８(４):５４－５８.[１２]杜斌ꎬ董华ꎬ张敬奎ꎬ等.重力热管单线内螺纹分布强化换热实验研究[Ｊ].热能动力工程ꎬ２０１７ꎬ３２(６):１２－１６.[１３]杜斌.单线内螺纹重力热管强化换热实验研究[Ｄ].青岛:青岛理工大学ꎬ２０１６:３１－３７.[１４]辛公明ꎬ张鲁生ꎬ王鑫煜ꎬ等.自湿润流体内螺纹重力热管传热特性[Ｊ].工程热物理学报ꎬ２０１３ꎬ３４(１２):２３６３－２３６５.[１５]辛公明ꎬ王鑫煜ꎬ张鲁生ꎬ等.内螺纹重力热管变功率运行特性[Ｊ].工程热物理学报ꎬ２０１３ꎬ３４(１１):２１１６－２１１９.[１６]田富中ꎬ辛公明ꎬ亓海青ꎬ等.交叉齿内螺纹重力热管强化传热特性[Ｊ].工程热物理学报ꎬ２０１４ꎬ３５(５):９２７－９３０.[１７]ＳＣＨＥＰＰＥＲＳＣＫＤꎬＨＥＹＨＤＥＲＩＣＫＸＧＪꎬＭＡ￣ＲＩＮＧＢ.ＭｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅＥｖａｐｏｒａｔｉｏｎｏｆａＨｙｄｒｏｃａｒ￣ｂｏｎＦｅｅｄｓｔｏｃｋｉｎｔｈｅＣｏｎｖｅｃｔｉｏｎＳｅｃｔｉｏｎｏｆａＳｔｅａｍＣｒａｃｋｅｒ[Ｊ].ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２００９ꎬ３３(１):１２２－１３２.[１８]战洪仁ꎬ李春晓ꎬ王立鹏ꎬ等.两相闭式重力热管强化传热研究进展[Ｊ].热力发电ꎬ２０１６ꎬ４５(９):７－１４.[１９]闫明宇ꎬ孙铁ꎬ杨雪峰ꎬ等.两相闭式热虹吸管最佳传热工况的数值分析[Ｊ].石油化工高等学校学报ꎬ２０１５ꎬ２８(５):９１－９４.[２０]战洪仁ꎬ吴众ꎬ金志浩ꎬ等.两相闭式热虹吸管传热机理模拟研究[Ｊ].热力发电ꎬ２０１８ꎬ４７(１):４６－５２.[２１]惠尧.两相闭式热虹吸管传热性能的实验研究与数值模拟[Ｄ].沈阳:沈阳化工大学ꎬ２０１８:４０－４７.ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＧｒａｖｉｔｙＨｅａｔＰｉｐｅｗｉｔｈＩｎｔｅｒｎａｌＴｈｒｅａｄｓＺＨＡＮＨｏｎｇ－ｒｅｎꎬ㊀ＺＨＡＮＧＱｉａｎ－ｑｉａｎꎬ㊀ＳＨＩＳｈｅｎｇꎬ㊀ＷＡＮＧＬｉ－ｐｅｎｇꎬ㊀ＨＵＩＹａｏ(ＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１０１４２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:㊀Ｔｈｒｏｕｇｈｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｇｒａｖｉｔｙｈｅａｔｐｉｐｅｗｉｔｈｏｒｗｉｔｈｏｕｔｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｒｅａｄｉｎｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｉｎｇｐｏｗｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ.Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｈｅａｔｉｎｇｐｏｗｅｒａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｒｅａｄｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｇｒａｖｉｔｙｈｅａｔｐｉｐｅｗｅｒｅａｎａ￣ｌｙｚｅｄｂｙｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｏｔｈ￣ｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｍｏｒｅｂｕｂｂｌｅｓａｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄｉｎｔｈｅｇｒａｖｉｔｙｈｅａｔｐｉｐｅｗｉｔｈｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｒｅａｄｓｉｎｔｈｅｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｗｈｉｃｈｓｈｏｒｔｅｎｓｔｈｅｔｉｍｅｎｅｅｄｅｄｔｏｒｅａｃｈｂｏｉｌｉｎｇａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.Ｇｅｎｅｒａｌｌｙｓｐｅａｋｉｎｇꎬｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｇｒａｖｉｔｙｈｅａｔｐｉｐｅｗｉｔｈｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｒｅａｄｓｉｎｔｈｅｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｏｒｄｉｎａｒｙｔｕｂｅꎬａｎｄｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｔｈｅｔｕｂｅｉｓｅｎ￣ｈａｎｃｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:㊀ｇｒａｖｉｔｙｈｅａｔｐｉｐｅꎻ㊀ｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｒｅａｄꎻ㊀ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻ㊀ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔꎻ㊀ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ。

重力热管换热特性数值模拟战洪仁;张海松;韩冬雪;李春晓;吴众【摘要】基于计算流体力学软件（ CFD）建立重力热管（ TPCT）数值模型，将数值结果与实验进行对比，进而探讨加热功率和充液率对重力热管传热性能的影响。

将已发展的传热传质关系式转化为相应控制方程源项，通过自定义函数（ UDF）实现重力热管内部相变过程中的传热传质过程，试图建立一个包含两相流与相变过程的重力热管CFD模型。

结果表明：通过CFD数值方法可较好地模拟重力热管内部复杂的流动与传热过程；在加热功率为12~60 W内，重力热管的等效对流换热系数随加热功率增大而增大；在充液率为30％~60％范围内，重力热管的等效对流传热系数均随充液率增加而减小，当充液率为30％时，重力热管换热性能较好。

%A computational fluid dynamics( CFD)model for simulation of thetwo-phase closed thermo-syphon( TPCT)were studied,and its synthetic heat transfer characteristics was discussed based on theex-periment. Through user-defined functions( UDF)to realize internal heat and mass transfer process in the process of phase change in TPCT. Through numerical simu-lation,flow and heat field′scharacteristic of in-lets and different configurations were gained,and the arithmetic of aerodynamics was founded. Moreover, the following contents are included:under provided heat power 12~60 W and filling ratio 30 % ~60 %, heat transfer coefficient of thermosyphon increases with the heating input power increasing,while decrea-ses with the filling rate increasing and the filling ratio with 30 % is better.【期刊名称】《沈阳化工大学学报》【年(卷),期】2016(030)003【总页数】5页(P254-258)【关键词】重力热管;VOF模型;传热特性;数值模拟【作者】战洪仁;张海松;韩冬雪;李春晓;吴众【作者单位】沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁沈阳110142;沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁沈阳110142;沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁沈阳110142;沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁沈阳110142;沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁沈阳110142【正文语种】中文【中图分类】TK172.4热管作为一种高效能的传热元件，广泛应用在制冷、化工、新能源开发和余热回收中.但是，与传统传热元件相比，大部分研究还局限在解决工程实际问题上，对于热管的基础研究还不够重视，这使得热管技术的推广受到了影响.目前，对热管的设计计算和结构优化依然采用传统的集总参数法.传统的集总参数法具有计算简单、计算量小等优点，却不能进一步揭示热管内部复杂的流动与传热机理.现代计算机技术和数值计算技术的发展为重力热管的内部流动与传热过程研究以及深入其内部机理探讨开辟了新思路.以CFD为基础建立重力热管两相流数学模型并进行数值模拟，可以对其内部传质传热过程进行计算和分析，相比于集总参数法能够大大减小工作量，其结果更准确[1].但目前完全基于CFD的方法对热管进行研究的报道较少，已有的实验研究也是做了大量的假设，与热管的真实情况有很大差别.而以CFD为基础的研究方法在保证热管内部真实情况的前提下，能深入其内部机理为实验结果、理论分析以及数值方法三者结合提供了可能.本文在已有的两相流模型基础上，将已有的传热传质关系式转化为相应控制方程源项，通过自定义函数(UDF)实现重力热管内部相变过程中的传热传质过程，建立一个包含两相流和变相过程的重力热管CFD模型，将数值结果与实验进行对比，进而探讨充液率和加热功率对其传热性能的影响.1.1 两相流基本方程两相流与单相流不同之处在于存在相间界面，界面上介质参数突变导致界面间参数或特性存在传递，尤其是对汽液两相流，相间分散和变形使界面本身变得不稳定，由此产生各种不同流型，反过来这些变化又影响特性函数及基本方程的变化，这使两相流方程变得极为复杂[2].在两相模型中为了考虑界面传递特性及两相间的作用，可以将两相流基本方程表达成如下形式.质量守恒方程：动量守恒方程：能量守恒方程：式中：ρm为混合密度，kg/m3；um为混合速度，m/s；A为界面面积，m2；t为时间，s；p为压力，Pa；τm为剪切力，N/m2；Em为混合流场内部能量，J；Fm为体积力，N；Mh和Me分别为质量源项和能量源项.1.2 两相流参数的确定两相流参数的选择决定研究方向的正确性和结果的精确性，为了方便与实验数据拟合，常对真实参数进行权重因子的加权处理.混合物性参数决定于不同相的体积分数[3]，混合相的密度、黏度分别由下式确定：考虑到热容的单位为J/(kg·K)，不能简单地用体积加权平均值表示，故由下式确定：对于总能量和温度的关系，可由下式确定：ρ为密度，kg/m3；μ为动力黏度，Pa/s；cp为定压比热容，J/(kg·K)；下角标k 表示第k相；φk表示第k相的体积分数；E为总能量，W.1.3 相变模型热管内通常是流体工质与空气的混合物，在与工质流体(液膜或者液滴)的接触面上，存在着热质交换.要想通过CFD软件实现TPCT内部的相变过程，需要自定义函数来实现，将已发展的传热传质关系式转化为相应的控制方程源项，通过UDF程序定义不同相之间的质量传递和能量传输方程.由质量守恒定律可知，所有相质量和是不变的，将汽液两相之间的质量转移作为质量源项定义到体积比函数中.另外，考虑到吸收与释放热量过程中的潜热，还要定义能量源项.根据De Schepper等[4]的研究结果，可将质量源项和能量源项写成表1所示形式.表1中t为温度，℃;ΔH为蒸发焓差，J/kg;Sk和Sh分别为质量源项和能量源项；ρ为密度，kg/m3；φ为体积分数；下标l、v、s分别代表液相、汽相、饱和.2.1 CFD软件选择选择求解流体流动和传热的通用软件Fluent，该软件提供了3种多相流模型，分别为流体体积模型、混合模型和欧拉模型.考虑重力热管具有分层自由面流动和泡状流的综合特征，宜采用VOF模型进行计算，汽液交界面捕捉通过目前最精准的VOF-PLIC法[5]获得.在VOF模型[6]中，对第q相流体的体积分数记为φq，则φq=1时控制容积充满第g相流体；当0<φq<1时该控制容积不仅仅包含g相流体，控制容积中所有相体积分数之和为1；当φq=0时控制容积不含第g相流体.2.2 CSF模型为提高相间界面精度，引入连续表面张力模型.该模型由Brackbill等[7]提出，基本思想是依据散度定理，将表面张力在汽液界面上的面积分转变为体积分，并将这个体积力作为源项添加到动量方程中，在一个控制体内，可将表面张力源项简化两相叠加，形式如下：式中为容积平均密度，kg/m3；σ为表面张力，N/m；k为曲率半径；i,j为计算因子.2.3 自定义函数及其实现若要使用CDF没有的模型，需要自定义函数来实现，通过UDF程序定义不同相之间的质量传递和能量传递.求解程序结构如图1所示.3.1 模型验证模拟采用Liu等[8]的实验模型，铜-水重力热管，几何参数为外径8 mm、内径6.8 mm，全长350 mm，操作压力为7.4 kPa，冷凝段采用冷却水自然对流，蒸发段为恒热流密度加热.对CFD模拟得到的壁温与实验结果比较，如图2所示.从整体上看，数值模拟得到的结果与实验结果有一定的误差，造成误差的最主要原因是本模型的假设中，认为蒸汽的饱和温度沿轴向不变,且得到的蒸发段壁温为热管的实际壁温，所以模拟得到的壁面等温性好.除此之外，可以得到热管内部的温度云图、速度矢量图,如图3所示.从冷凝段温度云图可以看出蒸汽温度梯度的变化，沿壁面方向由于蒸汽遇冷冷凝成水，放出潜热所以壁面温度降低；从速度矢量图可以看出，蒸汽沿轴向方向向上流动，由于蒸汽在壁面遇冷冷凝，在两边壁面冷凝成水后，在重力的作用下沿壁面向下流动，从矢量图可以清晰地看到蒸汽在壁面两侧速度方向向下.该温度云图、速度矢量图与热管基本理论相符[9]，认为模型正确.3.2 综合传热性能分析采用一种能综合反映热管传热性能的评价方法，即等效对流传热系数[10]是介于蒸发段对流传热系数与冷凝对流传热系数之间的一个加权平均值，综合反映热管蒸发段液体沸腾和冷凝段蒸汽凝结两种传热过程，其计算公式为：heq=式中：heq为等效对流换热系数，W/(m2·K)；λ为导热系数，W/(m2·K)；Q为加热功率，W；Le、Lc分别为蒸发段、冷凝段长度，m；di、d0分别为热管内径、外径，m；twi,e、twi,c分别为蒸发段、冷凝段的壁温，℃；从图4(a)可以看出：在加热功率为12～60 W范围内，heq随着Q的升高不断增大，这说明增加加热功率使TPCT传热性能变好.加热功率对传热性能的影响主要有两方面原因：一方面加热功率增大，生成蒸汽的速率增大，而蒸汽流速增大导致汽液界面摩擦力增大，从而阻碍了冷凝段液膜的向下流动，使冷凝段液膜厚度增大.随着液膜厚度和蒸汽速度的增加在汽液交界面产生界面波动，这增加了传热表面积和加剧了对冷凝段液膜的扰动，从而提高了冷凝段换热能力；另一方面随着加热功率的增大，TPCT壁面温度升高，壁面过热度增大，沸腾汽化核心数增多，整个沸腾换热强度增强.此外，随着汽泡生成频率的增加，汽泡在壁面上成长到一定大小后，在各种力的作用下从加热面脱离进入液体中，加热面上汽泡的生长和脱离使加热面附近的液体产生强烈的扰动，从而使蒸发段对流得到强化.从图4(b)可以看出：在充液率为30 %～60 %范围内，heq随着充液率的升高而减小，这说明增加充液率使TPCT综合传热性能变差.充液率对热管传热性能的影响，从热阻角度分析主要是由于以下原因：充液率低对应的液池高度也低，那么液池内的各处温差较小，从而热阻较小有利于液池内的核态沸腾；相反，当充液率逐渐增大，那么液池液位高度增加，热阻也随之增加.除此之外，液池液位升高，TPCT内部压差变大，液池内部生成的汽泡脱离液面的阻力变大，减弱了汽泡脱离对液池的扰动，抑制了沸腾传热，从而使得蒸发段传热系数逐渐降低.(1) 根据已有的传热传质关系式，通过CFD软件在控制方程中加载控制方程源项，利用VOF模型可以模拟和计算TPCT内部复杂的流动与传热过程.(2) 在加热功率为12～60 W下，重力热管的综合传热性能随加热功率增大而增大.(3) 在充液率为30 %～60 %范围内，重力热管的综合传热性能随充液率的增加而减小，在研究范围内充液率为30%，重力热管综合传热性能更好.【相关文献】[1] XU H J,QU Z G,TAO W Q.Numerical Investigation on Self-coupling Heat Transfer in a Counter-flow Double-pipe Heat Exchanger Filled with Metallic Foams[J].Applied Thermal Engineering,2014,66(1):43-54.[2] ZEMANSKY M W,MENGER K.Heat and Thermodynamics[J].American Journal of Physics,1952,20(4):248.[3] ENRIGHT D,FEDKIW R,FERZIGER J.A Hybrid Particle Level Set Method for Improved Interface Capturing[J].Journal of Computational Physics,2002,183(1):83-116.[4] SCHEPPER S C K D,HEYNDERICKX G J,MARIN G B.CFD Modeling of All Gas-liquid and Vapor-liquid Flow Regimes Predicted by the Baker Chart[J].Chemical Engineering Journal,2008,138(1/2/3):349-357.[5] ENRIGHT D,FEDKIW R,FERZIGER J,et al.A Hybrid Particle Level Set Method for Improved Interface Capturing[J].Journal of Computational Physics,2002,183(1):83-116. 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三章重力热管数学模型的建立及其模拟求解3.1重力式热管模型建立的分析思路对于重力式热管的凝结换热特性进行深入的分析。

分析的基本思想如下: （1）对层流状态下的竖壁凝结换热建立模型，提出合理的假设条件；（2）取液膜微元控制体，对它进行受力分析和能量平衡分析，建立动量方程和能量方程，合理简化边界条件。

简化方程，找出液膜厚度、切应力与液膜下降高度间的关系式；（3）通过能量平衡关系式，由己知的热管内压强（定性温度）和冷却介质带走的热热流，计算出热管的内壁温度；（4）离散液膜长度，假设在每一个微元液膜段内，液膜内的各个参数都是一样的（如果微元液膜足够小的话，这个假设是成立的），积分得到边界方程，并求得各个关系式；（5）在各个离散点处求出凝结换热系数，然后计算出所有离散点的凝结换热系数的算术平均值作为所要求的凝结换热系数的数值解。

3.2物理模型建立和数学描述3.2.1模型合理的简化和假定图3-1重力式热管冷凝段模型热管内部的冷凝液膜和热管的内径比起来很薄，因此研究热管内部的凝结换热可以简化成研究大平板表面的凝结换热处理，这样可以使问题变得简单化。

只考虑竖直方向，其他方向不考虑。

在竖直的热管中，没有不凝结气体的影响，建立坐标系，它的流动模型如图3-1所示。

在分析中，作若干合理的简化假定以忽略次要因素。

除了已经明确的纯净饱和蒸汽层流液膜的假定外，还有:（1）蒸汽及凝结液的热物性是常数；（2）液膜的惯性力可以忽略（即控制方程中的对流项可以忽略不计）；；（3）汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度tsat（4）膜内的温度分布是线性的，即认为液膜内的热量转移只有导热，而无对流作用；（5）液膜表面平整无波动。

（6）忽略不凝结气体的影响。

3.2.2理论推导建立如图 3-1所示的凝结液膜柱坐标系统，进行理论分析。

应用N-S 方程，列出液膜在竖直管内的连续性方程、动量方程和能量方程。

（1）连续性方程0)(1=∂∂+∂∂rv rr x u （3.1） （2）轴向动量方程⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂++∂∂-=∂∂+∂∂r u r r r x u x g x pr rvu r x uu 1)(1)(μρρρ 应用假设条件可以得到动量方程的简化形式： 0)(1=-+⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂g r u r r r v l ρρμ（3.2） 动量方程的边界条件为0,==u R r ru R r ∂∂=-=μτδδ, 其中u 为冷凝液膜的流动速度，μ为冷凝液膜的动力粘度。

多级分离式重力热管设计作者：王晓东周大可刘洪辰刘燕妮沈允来源：《科技资讯》2017年第19期摘要：重力热管具有传热效率高、成本低廉、结构简单等突出优点，近年来在各领域的应用越来越广泛。

常规的重力热管在浅层地热开发中已有先例，但是对于中深层地热资源的开发，传统的重力热管由于自身结构的制约，在底部液池的充液量、长细比、真空保温、气液对流阻力等方面存在一系列的问题；该文针对上述问题，结合国内外中深层地热资源开发的情况，设计了一款新型多级分离式重力热管结构。

基于重力热管传热的基本原理，将管长1 000 m以上的超长重力热管分为多级循环系统，每级循环系统既各自独立又互为整体，在循环交界位置设计热池结构，减少传热过程中的热量损失，提高传热效率，有效地提升了地热的传递距离。

关键词：多级分离重力热管热循环热池结构中图分类号：TB657 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0051-031 研制背景地热是重要的清洁能源，目前在我国的开发利用还处于初级阶段，尤其是高温地热资源的开发，仍存在较多问题。

高温地热资源的开发方式主要有3种，即水热系统、EGS系统、单井取热。

其中水热系统是目前国内外应用最为广泛的高温地热开发方式[1-3]，冰岛深层钻探计划从2000年开始探索，到2016年，已经钻至5 000 m深度岩层，水温400 ℃～1 000 ℃，是目前世界上地热温度最高的案例。

EGS系统在美国、瑞士、日本、澳大利亚、韩国等国家都开展过相关试验，最大井深为5 093 m，最高温度是美国的400 ℃。

对于单井取热也就是安装井下换热器，目前应用较少，主要在换热效率以及产液量等方面受限。

2 理论分析重力热管结构自下而上依次为蒸发段、绝热段和冷凝段，其工作原理是：热管内注入适量的工质，工质在蒸发段受到外界热源的加热迅速气化，在压力和浮力的作用下，加速向上运动，流至冷凝段与管壁外的冷源发生热交换，凝结液化，液相靠重力回流到蒸发段重新吸热，如此循环往复，将热量从底部蒸发段传递到上部冷凝段。

《重力热管传热特性的数值模拟与实验研究及热管式空预器优化设计》篇一一、引言随着能源需求与环境保护的日益关注，热管技术作为一种高效的传热元件，其应用越来越广泛。

重力热管因其独特的传热特性，在能源、化工、航空、航天等领域发挥着重要作用。

本文旨在通过数值模拟与实验研究的方法，探讨重力热管的传热特性，并基于此对热管式空预器进行优化设计。

二、重力热管传热特性的数值模拟首先，建立重力热管的物理模型和数学模型。

在数值模拟过程中，考虑到重力热管的物理特性和传热机理，利用计算流体动力学（CFD）软件进行仿真分析。

通过设定合理的边界条件和初始条件，模拟重力热管在不同工况下的传热过程。

数值模拟结果显示，重力热管的传热过程受到多种因素的影响，包括工作介质、加热功率、结构参数等。

在不同工况下，重力热管的传热效率有所差异。

通过对模拟结果的分析，可以得出重力热管的传热特性和规律。

三、重力热管传热特性的实验研究为了验证数值模拟结果的准确性，进行了一系列实验研究。

实验中，采用不同工作介质、加热功率和结构参数的热管进行测试，记录了实验过程中的温度、压力等数据。

通过对比实验数据和数值模拟结果，验证了所建立数学模型的正确性。

实验结果表明，重力热管的传热特性与数值模拟结果基本一致。

同时，实验还发现了一些新的现象和问题，为后续的优化设计提供了依据。

四、热管式空预器优化设计基于重力热管传热特性的研究结果，对热管式空预器进行优化设计。

首先，根据实际需求和工况条件，确定空预器的结构参数和工作介质。

其次，通过优化设计，提高空预器的传热效率和稳定性。

最后，利用数值模拟和实验方法对优化后的空预器进行验证和分析。

优化设计后的热管式空预器在传热效率、稳定性和使用寿命等方面均有显著提高。

同时，优化设计还考虑了空预器的成本和制造工艺等因素，确保了其在实际应用中的可行性和经济性。

五、结论本文通过数值模拟与实验研究的方法，深入探讨了重力热管的传热特性。

在此基础上，对热管式空预器进行了优化设计。