基于 VOF模型对重力热管内部沸腾冷凝过程的仿真模拟

基于LB方法的管内流动沸腾传热模拟孙挺臻;刘倩;桂南;杨星团;屠基元;孔海志;姜胜耀【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2018(052)005【摘要】为研究竖直管内流动沸腾的传热情况及气泡行为学,采用格子玻尔兹曼(LB)方法,利用改进后的伪势模型和热模型分别模拟流动和传热过程.为验证模型的合理性,对模拟结果与经验关系式进行了定量对比.之后对气泡行为对沸腾传热系数的影响进行了研究,结果表明,随着气泡的核化、生长、滑移和脱离,传热系数呈现周期性波动.最后考察了重力加速度对气泡行为和沸腾传热的影响,重力越大,气泡生长周期越短,沸腾传热系数越大.【总页数】6页(P776-781)【作者】孙挺臻;刘倩;桂南;杨星团;屠基元;孔海志;姜胜耀【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院,先进核能技术协同创新中心,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,先进核能技术协同创新中心,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,先进核能技术协同创新中心,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,先进核能技术协同创新中心,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,先进核能技术协同创新中心,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京100084;墨尔本皇家理工大学,澳大利亚维多利亚 3083;中广核研究院有限公司,广东深圳518026;清华大学核能与新能源技术研究院,先进核能技术协同创新中心,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TL329【相关文献】1.基于CFD的中浓纸浆悬浮液在变径管内流动的数值模拟 [J], 陈奇峰;陈克复;杨仁党;李军2.基于LB方法平板流立方定律的数值模拟研究 [J], 朱益腾3.黏弹性流体在圆管内流动的谱方法模拟计算 [J], 宋道云;刘洪来;方波;江体乾;朱林;杨殿民4.基于LB方法的组合瓦斯抽放渗流模拟 [J], 陈彦好;肖建成;龚振照;于骞;马莲5.烧结型多孔管管内流动沸腾传热数值模拟 [J], 韩坤;刘阿龙;彭东辉;孙定芳;王经因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

相变换热器中蒸汽冷凝数值研究周梦;虞斌;曹宇【摘要】为了改善相变换热器的传热性能,使用Fluent软件分别对水蒸气和空气-水蒸气在竖直平板上的冷凝换热进行数值模拟.气液两相流采用VOF模型,水蒸气冷凝的相变模型采用Knudsen相变系数模型,水蒸气在空气中的扩散采用组分运输模型.研究了进口速度、空气质量分数对冷凝换热的影响,结果表明:当水蒸气中混入空气时,严重影响了冷凝换热性能;换热系数随空气质量分数的增加而降低,同时液膜厚度也减薄,当空气质量分数为0.1时,换热系数降低了42.1％,冷凝液量降低了25.5％;提高流速,可有效提高换热系数,湍流状态下为层流状态下的3倍左右,但冷凝量却无明显变化.【期刊名称】《化工机械》【年(卷),期】2018(045)006【总页数】8页(P730-737)【关键词】换热器;水蒸气冷凝;空气-水蒸气冷凝;换热系数;传热性能;数值模拟【作者】周梦;虞斌;曹宇【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院;南京工业大学机械与动力工程学院;南京工业大学机械与动力工程学院【正文语种】中文【中图分类】TQ051.5蒸汽冷凝相变可以利用较小的温差获得很好的传热效果，因而相变换热器广泛应用于工程实践中[1，2]，蒸汽冷凝效率直接影响相变换热器的性能[3，4]。

水蒸气中混入空气时，会大幅影响相变换热器的传热性能[5，6]。

因此，国内外专家学者对蒸汽冷凝现象进行了大量的研究[7～9]。

笔者基于Knudsen M提出的相变系数模型[10]，使用Fluent软件分别对水蒸气和空气-水蒸气在竖直平板上的冷凝换热进行数值模拟，并研究气体流速和空气浓度对冷凝换热的影响。

1 计算模型水蒸气与冷凝水的气液两相流采用VOF方法[11，12]，控制方程包括连续性方程、体积分数方程、动量方程和能量方程。

水蒸气和液态水物性参数随温度变化，通过文献[13]对各物性进行多项式拟合，使用UDF程序导入Fluent软件中。

振荡热管中气液两相运动的数值模拟李培生;杜鹏;张莹【摘要】为了从流体流态角度对振荡热管初始化和运行过程中的气液两相流动进行研究,采用VOF(volume of fluid)方法追踪气液界面,针对界面表面张力采用CSF(continue surface force)模型并添加动态接触角、气液相变UDF(user defined function)建立数理模型,利用Fluent软件对其进行数值模拟.通过与可视化实验结果进行对比,验证了模型的精确性和可靠性.结果表明:振荡热管初始化和运行过程中,气泡的产生和形态变化是管内工质循环的重要动力;动态接触角模型能够更精准的模拟这一过程.【期刊名称】《南昌大学学报（工科版）》【年(卷),期】2018(040)003【总页数】5页(P272-275,279)【关键词】振荡热管;气液两相流;气泡运动;动态接触角模型【作者】李培生;杜鹏;张莹【作者单位】南昌大学机电工程学院,江西南昌330031;南昌大学机电工程学院,江西南昌330031;南昌大学机电工程学院,江西南昌330031【正文语种】中文【中图分类】TP391.9振荡热管[1-4]是一种结构简单，传热性能优良的换热元件，在小型电子器件散热领域，特别是高热流密度元器件上得到了比较广泛的应用。

近年来，国内外研究学者对振荡热管进行了持续的研究，但由于振荡热管运行时由多种参数共同作用控制，机制复杂，研究工作主要还是集中在数值模拟和实验分析上。

这其中徐德好等[5]利用VOF方法模拟了平板式振荡热管内的流动与传热过程，模拟出主要流型包括气泡流、柱塞流、半环状/环状流等，但没有分析气泡产生与融合过程。

Qu、Barua等[6-7]采用不同工质、充气率、管径、加热功率等参数对振荡热管内流态影响作出可视化实验分析，但没有从管内流体形态变化的角度解释实验现象。

孙芹等[8]通过改变脉动热管的截面形状对其工质运动做出分析，发现变截面热管的设计能够形成附加的毛细力，可以使热管工质发生短暂的定向运动，有利于液相汽化产生气泡。

重力热管中流动与传热的CFD模拟a CFD研究中心，化学工程系，拉齐大学，克尔曼沙阿，伊朗b 机械工程学院，工程和石油学院，科威特大学有效上传时间2009年10月22日摘要：在本研究中以重力热管中的流动并同时伴随蒸发和冷凝现象为模型。

用VOF（体积模型）来模拟气/液两相的相互作用阶段。

在热管中以不同的操作条件进行实验。

重力热管温度的CFD预测曲线与实验测量值有很好的一致性。

可得出结论CDF是一种有用的模拟和解释热管中复杂流动和传热的工具。

关键词：重力热管，热管，计算流体力学，凝聚，蒸发文章大纲术语1.引言2.原理3.实验3.1．实验方面3.2．实验结果4．CDF模拟5．结果与讨论6．结论致谢参考文献1. 引言：热管是具有极高导热效率的两相热传输设备。

使用热管的优势是其所需的面积和温差很小。

此外，设计简单，传热率高，单向传热（热二极管），成本低，重量轻，维修成本低，也使这一设备的要求更高。

在热管中，热量被蒸发段吸收并输送到冷凝段，在冷凝段处蒸汽冷凝将热量传输给冷却介质。

热管被称为高效传热设备，并有超过半世纪[1] [2]和[3]的重大发展。

热管由一个绝热管、吸液芯和工作流体组成。

一组热管内流体因重力发生循环则称为两相闭式热虹吸管[3]。

在这一类热管中，没有用于转移工作流体的吸液芯，而是由于重力差引起管内的流体流动。

所有热管都具有三个部分，包括：蒸发段，绝热部分和冷凝段。

在重力热管中，冷凝段总是放置在蒸发段之上，但在热管中吸液芯可以置于蒸发段的下方。

在重力热管中，热量通过蒸发段的液池输入，将工作流体变成蒸气。

蒸气上升，并通过绝热段到达冷凝段。

在冷凝段中水汽凝结，并放出其潜热。

然后，冷凝液因重力返回到蒸发段。

由于其具有较高的效率，可靠性和成本效益，重力热管已被应用于许多不同的方面。

其中包括保护冻土，除冰的道路，涡轮叶片冷却，热交换器[4]，湿度控制[5]，食品工业[6]，太阳能系统[7]和电抗器[8]等。

基于VOF模型的泵站压力管道气液两相流数值模拟
冯磊;姚青云
【期刊名称】《中国农村水利水电》
【年(卷),期】2012()12
【摘要】针对某泵站水泵并联运行空管开机存在的具体问题,以气-液(水)两相瞬态流动为研究对象,采用VOF模型对管内的气液两相流进行数值模拟。

计算结果表明:充水过程中管内存在着泡状流、塞状流、分层流、波状流以及弹状流;管内液相体积分数经历了线性增长、无规律增长直至不再增长这3个时期;气液两相流造成的能量损失大于单相流。

通过数值模拟计算,解释了该泵站空管开机造成出水管口喷水现象的原因,数值模拟分析结果与现场喷水情况基本吻合。

【总页数】4页(P124-126)
【关键词】长输管道;VOF模型;气液两相流
【作者】冯磊;姚青云
【作者单位】宁夏大学土木与水利工程学院;旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】TU991.36
【相关文献】
1.水平管内气液两相泡状流压力波数学模型及其数值模拟 [J], 黄飞;白博峰;郭烈锦
2.基于VOF模型与动网格技术的油气悬架气液两相流数值模拟 [J], 张沙;谷正气;
赵敬凯;徐亚;伍文广
3.泵站虹吸式出水管虹吸形成过程气液两相流数值模拟 [J], 王晓升;冯建刚;陈红勋;卜立峰;谭琳露
4.基于气体释放模型的气液两相流数值模拟 [J], 刘来全;蒋劲;姬伟东;郭家栋
5.基于Mixture模型泡沫发生器气液两相流数值模拟 [J], 张江涛;汤文斌;成晓伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

fluent vof流动沸腾案例
在Fluent VOF中，流动沸腾是通过模拟两相流动来实现的。

以下是一个流动沸腾案例的示例：
案例：在加热器中的水沸腾过程
1. 几何设置：
- 在Fluent中创建一个适当大小的加热器几何模型。

加热器
底部是一个加热板，上面装有水。

- 在模型中定义两相区域：水和蒸汽。

- 定义水和蒸汽之间的相转换区域。

2. 物理模型设置：
- 选择VOF模型作为相互作用模型。

- 设置水和蒸汽的物理性质，如密度、粘度、热传导系数等。

- 设置界面张力和相转换速率。

3. 数值设置：
- 定义计算域和网格划分。

- 设置初始和边界条件，如水的初始温度和蒸汽的初始质量
分数。

- 设置定解方程的离散化和求解算法。

4. 运行模拟：
- 在Fluent中启动求解器。

- 监控模拟的进展过程。

- 完成模拟后，评估结果，如温度分布、相分布、传热速率
等。

通过这个案例，你可以模拟加热器中的水沸腾过程，并了解蒸汽形成和传热现象。

Fluent VOF可以帮助你更好地理解流动沸腾的特性，并优化加热器的设计和操作。

基于非平衡热力学模型的管内沸腾过程模拟冯留海;聂永广;王江云;雷晓东;王娟;毛羽【摘要】为了更准确地模拟壁面沸腾过程,根据Lavievile非平衡热力学模型对沸腾流动的壁面热流率进行了划分,通过调节函数结合Sato模型修正了沸腾流动中的混合κ-ε模型,建立了同时适用于管内过冷沸腾与整体沸腾流动阶段的曳力模型.使用上述模型对环状竖直管内沸腾流动过程进行数值模拟,计算结果与实验值吻合,可以用来模拟整个管内沸腾流动过程.数值模拟显示,沸腾流动可以明显增大管壁的传热系数,但当管壁处蒸气体积分数超过0.6时,会出现传热恶化现象.【期刊名称】《石油学报（石油加工）》【年(卷),期】2016(032)003【总页数】6页(P591-596)【关键词】沸腾流动;非平衡热力学;曳力模型;传热系数;数值模拟【作者】冯留海;聂永广;王江云;雷晓东;王娟;毛羽【作者单位】中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;北京低碳清洁能源研究所,北京102209;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;新奥科技发展有限公司,河北廊坊065001;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;中机康元粮油装备(北京)有限公司,北京100083;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249【正文语种】中文【中图分类】TK124管内沸腾流动是石油、化工、能源动力等工业领域的一种常见现象，例如石油化工行业常用的管式加热炉和管壳式换热器中的管内沸腾流动。

沸腾流动可以显著提高管内传热效率，所以受到人们的广泛关注。

早在20世纪60年代，Bartolomei等[1]就实验研究了空泡分率对垂直管内高压水沸腾过程的影响。

随着测量技术的发展，Bartel[2]、Lee等[3]对各种工况下的管内沸腾过程进行了更加详细的测量。

一方面希望实验获得管内沸腾过程中详细的两相流局部参数特性，另一方面希望通过实验测量结合理论方法归纳出气泡脱离直径、成核频率和气泡停留时间等管内沸腾流动中的关键参数，从而完善数值模型，使其可以准确模拟管内沸腾过程。

热虹吸管相变传热行为CFD模拟王啸远;朱跃钊;陈海军;王银峰;范红途【摘要】基于VOF模型和改进的相变模型对热虹吸管稳态相变传热过程进行CFD模拟,根据温度分布实验数据和可视化实验进行验证,并分析充液率对热管蒸发?冷凝传热行为的影响.研究结果表明:CFD模型能够较准确地描述热管工质的蒸发和冷凝过程,模拟得到热管各段均温的最大偏差为10.2 K,相对误差2.9%,采用改进的相变模型,温度分布模拟值与实验值一致性更好;模拟得到蒸发段工质流型转变过程与可视化实验定性相符;热管冷凝段以膜状冷凝传热为主,充液率的改变对其影响不大,充液率主要影响蒸发段的传热行为,进而影响热管的传热性能.该工作有助于对热管运行机理的理解,并为其CFD模拟提供指导.%A computational fluid dynamic (CFD) model based on the volume of fluid (VOF) multiphase model and an improved phase change model were developed to simulate the phase change heat transfer process in thermosyphons at steady state, and the modeling results were validated by measuring wall temperature distribution and visualization experiments. Besides, the influence of filling ratio (FRs) on the evaporation-condensation behavior in thermosyphons was analyzed. The results show that this CFD model can reproduce both the vaporization and condensation processes well. The predicted temperature distribution show better consistency with experimental results using the improved phase change model, the maximum deviation of average temperature at different sections being 10.2 K with a relative deviation of 2.9%. Furthermore, the predicted flow regimes are generally in agreement with the observed phenomenon in visualization testing.Filmwise condensation is the main heat transfer mode at condenser area in thermosyphons which is not affected by FRs. However, the variation of FRs considerably affects the heat transfer behavior at evaporator and thus changes the heat transfer performance of thermosyphons. This study is conducive for understanding the operating mechanism of thermosyphons and meanwhile provides some guidance for its CFD modeling.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(048)005【总页数】7页(P1391-1397)【关键词】热虹吸管;相变传热;CFD;可视化【作者】王啸远;朱跃钊;陈海军;王银峰;范红途【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京,211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京,211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京,211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京,211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京,211816【正文语种】中文【中图分类】TK172.4两相闭式热虹吸管(简称热虹吸管)，是依靠重力回流冷凝液的高效传热元件，具有超高的导热性以及优良的等温性，更兼结构简单和工作可靠的优点[1]，在太阳能中高温热利用[2]、聚光光伏发电[3]、余热回收[4−5]、以及电子元器件[6]的高效散热等领域具有潜在的价值。

LNG绕管式换热器壳侧降膜沸腾数值模拟研究吴志勇;刘洋;建伟伟;高阳;蔡伟华【摘要】使用ANSYS Fluent商用软件下的VOF模型,对天然气液化工艺中所用的绕管式换热器壳侧降膜沸腾过程进行了数值模拟.结果表明,当壳侧入口干度戈≤0.10时,VOF模型能较好地模拟壳侧沸腾换热现象,准确地预测出沸腾换热系数与冷剂质量流率间的关系.降膜流状态下,汽、液相流速较低,摩擦压降较小,换热管壁面基本被液膜覆盖,液相冷剂在受热壁面汽化后进入壳侧流道,流道内以汽相为主.壳侧既有竖直向下的主流运动,又有较为微弱的螺旋环流,同时大量的汽相将在壳侧顶部涡旋滞留.【期刊名称】《化学工业与工程》【年(卷),期】2019(036)003【总页数】8页(P72-79)【关键词】VOF模型;降膜流;沸腾换热;速度分布;汽相体积分数【作者】吴志勇;刘洋;建伟伟;高阳;蔡伟华【作者单位】辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TB657.8;TE821绕管式换热器(SWHE)作为低温换热首选设备在天然气液化(LNG)工艺中被普遍使用，其特点是适用于超低温环境、能承受介质高压、管侧可实现多股流放热。

大量的小口径换热管以螺旋线的方式分层缠绕在芯筒上，从而制成该类换热器。

相邻2层换热管的缠绕方向不同，层间使用隔条控制间隙［1-2］，绕管式换热器构造见图 1［3］。

绕管式换热器用于天然气液化流程时，汽相天然气以多股流的形式自下而上地流过换热管内部，与此同时烷烃制冷剂以液态形式自上向下流过换热器壳侧。

由于管和壳两侧存在换热温差，所以壳侧制冷剂吸收管侧天然气的热量而汽化，并在流动过程中先后经历两相和过热2种流态。

基于VOF和浸入边界法的黏性二相流模型对LNG液舱晃荡的数值模拟龚国毅;赵成璧;唐友宏;林慰;张薇【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2013(013)010【摘要】A viscous two phase flow model based on the Volume of Fluid ( VOF) method and Immersed Boundary Method (IBM) is used in this research to numerically simulate sloshing problem occurred in the LNG tank (prismatic tank). The whole computational domain is rectangular, and VOF method is used for tracking and updating the free surface, immersed boundary method for boundary processing. A block up coefficient is used for the processing of volume fraction F so that VOF can process the bevel edge boundary. Finally the whole process of the sloshing tank motion, and compare the liquid surface height achieved is achieved by different methods. This study has reference value to this type of sloshing motion.%采用基于Volume of Fluid(VOF)方法和浸入边界法的黏性二相流模型对LNG液舱(棱形液舱)的晃荡问题进行数值模拟.黏性二相流模型采用一套控制方程进行处理.整个计算区域为矩形,自由液面的跟踪和更新采用VOF方法,斜边边界的处理考虑用到浸入边界法,把边界以外的当成是固体,在对VOF中的体积分数F的处理时引入通度系数以适应斜边边界.最后模拟得到液舱横荡的运动过程,对研究这一类型的晃荡运动具有参考价值.【总页数】5页(P2630-2634)【作者】龚国毅;赵成璧;唐友宏;林慰;张薇【作者单位】华南理工大学土木与交通学院,船舶与海洋工程系,广州510640;中华人民共和国广东海事局,广州510640【正文语种】中文【中图分类】O359.1【相关文献】1.基于VOF法的液舱晃荡数值模拟及载荷计算 [J], 刘桢兵2.基于VOF法的半球-圆柱体液舱晃荡数值模拟 [J], 郭海宇;张志国;冯大奎;王先洲3.基于VOF法的液舱晃荡数值模拟及载荷计算 [J], 刘桢兵4.基于浸入边界法和流体体积法的黏性二相流模型对含障碍物溃坝的数值模拟 [J], 辜坚;赵成璧;唐友宏;林慰;张薇5.基于非均质多相流模型的液舱晃荡数值模拟 [J], 刘东喜;唐文勇;王晋;薛鸿祥因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第34卷第4期2019年12月矿业工程研究Mineral Engineering ResearchVol.34No.4D co.2019doi：10D3582/jDnkiD674-5876.2019.04.010重力热管内部相变传热过程的数值模拟卿倩,张登春*，陈大伟，李孔清(湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201)摘要:为了探究重力热管内部的相变及传热过程，利用FLUENT14.5软件对二维热管进行数值模拟.采用VOF模型，为了准确捕捉气液两相分布，通过加入质量能量源项以UDF形式添加至各相进行数值计算，得到了6种不同加热功率下重力热管各段的平均温度值，并与实验值对比，证实了数值模拟的可靠性.研究了充液率对重力热管传热效率的影响，计算了4种不同充液率下热管的璧温分布及热阻大小.结果发现:数值模拟能直观有效地反映重力热管内的蒸发冷凝现象;VOF模型能很好地捕捉气液分离现象、气泡的成长合并及液膜的产生；热管总热阻随着加热功率的增大而减少，在加热功率大于170W后，热阻随加热功率增加而减少的速率下降；随着充液率的增加，热阻逐渐减少，且相变工质初始充液率为1时热管性能较好.关键词：重力热管；相变过程;数值模拟;充液率;传热效率中图分类号:TK124文献标志码：A文章编号：1672-9102(2019)04-0057-08Numericai Simulation of the Phase Change Heat TransferProcest in Gravitahonai Heat PipeQiny Qian,Zhany Denychun,Chen Dawei,Li Kongqiny(School of Civii Eneineerine,Hunan Univeaity ol Science and Technoloyy,XiangWn411201,China)Abstract:In ordee to explore the phass chanye and heat transfee processes in a two-phass closed thermosyphon,a2D model is built to simulate by usiny FLUENT14.5-In ordee to capture the yas-liquid two-phas.dosiaobuioon moa.attuaaioy,ih.VOFmod.oosadopid eoasomuoaioon,and ma s and.n.ayysouat.iams are added to each phase in the form of UDF foe numeycal calculation-The averaye temperature of each section of ihe iheamosyphon undea sot doeaeni heaiony poweas aae taotuoaied,tompaaed woih ihe etpeaomeniao measuaemenisaiihesametondoioon ioton oam ihe au ihen iotoiy o?ihe nume aota os omu oa ioon.The wa o iempe aa iu ae dosiaobuioon and iheamaoaesosianteo?iheiheamosyphon undeaouadoeaenio o onyaaiesaaesomuoaied iosiudyihe eetio?ooquod o o onyaaieon ihe heai iaans e ae otoen ty o?a ihe amosyphon.Resu ois show ihaiihenumeaotao somuoaioon tan eetioeeoyand oniuoioeeoyaeoetiiheeeapoaaioon and tondensaioon phenomenon on aiwo-phase toosed iheamosyphon.TheVOFmodeotan we o tapiuaeihephenomenon o?yas-ooquod sepaaaioon,bubboeyaowih and toaoestente,and iheyeneaaioon o?ooquod oom.Theioiaoiheamaoaesosiantedetaeaseswoih iheontaeaseo? heaionypowea.When iheheaionypoweaosmoaeihan170W,iheaaieo?iheamaoaesosiantedetaeaseswoih ihe ontaeaseo?heaionypowea.Woih iheontaeaseo?ooquod o o onyaaie,iheiheamaoaesosiantedetaeasesyaadua o y.The peaoamanteo?iheiheamosyphon osbe i eawhen iheonoioaoo o onyaaieo?ihephasethanyemedoum osequaoio1.Keywordt:yravitational heat pipe;phase chanye process;numSsioulation%filliny ratio;heat iaanseaaai收稿日期：2019-11-20基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(2016JJ2054)；湖南省交通运输厅科技进步与创新重点资助项目(201413)通信作者$E-maii：dczhang2000@58矿业工程研究2019年第34卷重力热管，也叫两相式热虹吸管,传热介质被充入重力热管的蒸发段，经蒸发段外壁的加热达到沸点后变为气态上升至冷凝段,气态介质在冷凝段进行放热后冷凝至液态,由于重力作用重新回到重力热管的蒸发段完成一个循环•这要求在位置结构上，冷凝段必须在蒸发段之上•由于其结构简单、容易加工等特点,被广泛应用于各领域'1_4］-近年来，国内外学者对热管技术进行了大量的研究•韩振兴等'5（通过电容层析成像技术！ECT）测量系统对冷凝段乙醇蒸气的冷凝过程进行监测，观察不同工况条件下重力热管冷凝段的气、液分布特性和液膜的形成及发展过程•曹小林等⑷提出新型结构形式的重力热管换热器,通过建立单根竖直管道物理模型,分别对冷凝段、绝热段和蒸发段建立稳态传热数学模型，应用等热流密度边界条件并通过工程方程求解器（EES）进行了数值计算.战洪仁等'7］为研究重力热管内部沸腾冷凝过程，采用VOF多相流模型对汽液两相流进行数值模拟.张劲草等［8］以铜-水重力热管为对象,研究了热管蒸发段和冷凝段的长度及位置等条件改变时对重力热管传热性能的影响.陈军等'9］为了揭示两相闭式热虹吸管蒸发段及冷凝段工质相变传热本质，以其为基础建立数值模型，基于VOF模型确定气液两相间的相界面，对采用工质为水和R134a的热管运行过程进行数值分析.张龙等'10］针对现场热管井实例，分析影响碳钢-水超长重力热管热传输性能的因素，通过对热管井结构的改造以提高其传热性能,并对热管井结构和工质进行了展望•张云峰等'11（通过CFD仿真模拟,分析了重力热管内水相变换热过程的特性，研究了热管蒸发段充液率为35%时不同加热功率对热管相变换热的影响，以及加热功率为2000W时蒸发段充液率对热管相变换热的影响•王啸远等'12（基于VOF模型和改进的相变模型对热虹吸管稳态相变传热过程进行CFD 模拟,根据温度分布实验数据和可视化实验验证，分析了充液率对热管蒸发冷凝传热行为的影响.Bandar 等［13（利用CFD模拟无芯热管或热虹吸管运行期间的两相流动和传热现象,数值预测的温度曲线和实验温度数据具有良好的一致性.Zied Lataoui'14（对不锈钢两相闭式热虹吸管的传热特性进行了实验研究,测试了3种相容的工作流体:水，乙醇和丙酮及填充率对热虹吸管的稳态热性能的影响.Davoud［15］研究了两相闭式热虹吸管（TPCT）的瞬态性能.本文利用FLUENT14.5软件对重力热管内部蒸发冷凝状态进行数值模拟，结合前人所做的实验进行了对比分析，证明了数值模拟的真实准确性,继而研究不同充液率对重力热管的影响，通过不同功率及充液率下热管各段的温度平均值及热阻的大小,得出重力热管内具体的蒸发冷凝相变和传热过程及最佳充液率的大小.1重力热管计算模型12重力热管工作原理重力热管的工作原理如图1所示，液态工质在负压状态下充入重力热管的蒸发段中密封，在蒸发段中受热相变为气态工质，由于升力的作用经绝热段上升至冷凝段，在冷凝段释放潜热后冷凝为液态贴附在冷凝段壁面，由于重力的作用再次回到蒸发段,完成一个工作循环.1.2VOF模型重力热管的蒸发冷凝模拟采用VOF模型，多相流计算的难度在于捕捉不用相态间的界面，而VOF模型主要用于跟踪两种或多种不相溶液体的界面位置,能够很好地捕捉气液两相分离界面.VOF模型使用Navier-Stokes方程通过定义各相的体积分数来对各相的运动进行追踪，从而确定各相之间的相界面•在每个计算单元中，所有组分的体积分数之和为1,即如果"t为液相的体积分数，"为气相的体积分数，则在每一计算单元中存在3种情况：（1）"t=1：单元全部为液相；（2）"=0：单元全部为气相；！3）0<"<1：单元处于气液相界面.12控制方程连续性方程、动量方程和能量方程用于描述重力热管中工作流体的运动.1.3.1连续性方程詈+"5)#0-(1)第4期卿倩，等:重力热管内部相变传热过程的数值模拟59式中：p 为密度,ky/m 3;"为速度矢量,m/s ; t 为时间,s.1.3.2动量方程[,V u + V u T一知!・训(pu ) + !• (puu)二一 Vp + !•&+ ' + =C SF(2)式中：g 为重力加速度,m/s 2 ； P 为压力，Pa ；,为动力黏度,Pa / s ； 9为单位张量；=csf 为表面张力，N/m.对于流体两相界面表面张力的影响，引入Brackbrn 等[16(表面张力模型，表达式为式中：C 为表面曲率，下标Oe 分别表示液相、气相；p o 为液态水密度,ky/rm ; 为表面张力系数,N/叫其计算式为= 0.098 058 56 - 1.845 ； 10一5 - 2.3 ； 10152.(4)重力热管中工作流体的物理性质取决于各相的体积分数，因此密度和粘度的计算公式分别为p =+ (1 - "Opp (5),="旳 + (1 - "O(6)式中：p 为密度,ky/m 3，其计算式为Pi = 859.008 3 + 1.252 2095 - 0.002 642 952.(7)1.3.3能量方程&—(p C ) + V- (pEu ) = V- (3 • V 5) + V- (p ) + S e&t(8)式中：E 为能量,J ； 5为温度,K ； 3为热导率,W/(m - K ) ； S c 为能量源项，用于计算蒸发冷凝过程中的热 量传递-VOF 模型中将温度5作为质量平均变量,热导率3的计算式为3 = "]3[ + (1 - "]) 3e .能量E 的计算公式为EaiPi C + "p E e"1P1 + "Pe(9)(10)2数值计算方法22网格划分参照B.Cadhl [13]所做实验建立物理模型，计算重力热管总长度为500 mm ,其中蒸发段、绝热段、冷凝段分别长为 200,100,200 mm ,计算模型直径为(22 mmX1.5 mm.利用 Gambit 进行网格划分，靠近内壁面对网格进行加密处理,如图2所示.为了研究模型网格数对计算结果的影响，进行网格独立性验证，将3种不同的网格数量所得出的计算结 果统计于表1中•表1为不同网格数下的蒸发段与冷凝段的平均温度，并计算了各自的热阻大小•由表1可以看出，网格数对于计算结果的影响并不大，因此考虑到精确性与计算时间成本的影响，本文选择网格数为56 336的模型进图2不同网格数下的模型行计算，靠近壁面设置更密的网格来捕捉内壁面的气液两相贴附状态-60矿业工程研究2019年第34卷表1网格独立性结果网格数量5/K1evap,av/丄、5/K1cond,av/丄、)cfd/(K/W)28336379.02328.290.293556336378.43328.430.289286.516378.07328.410.2873表中：5sp,ai为计算出的蒸发段平均温度,K；5）d,ai为计算出的冷凝段平均温度j；）CFD为计算出的总热阻,IKW.2.2边界条件根据实验实测值'13］设定边界条件，如表2所示.假设充液率（即液体所占蒸发段的体积分数）为50%,冷凝段放热量根据冷却水得热量确定，计算公式如式（11）所示•设置蒸发段边界条件为恒热流密度，绝热段壁面边界条件设置为热流密度为0,冷凝段对流边界条件根据实验所测得自然流温度为296K,传热系数根据冷却水段计算公式（12）获得.考虑两相接触面表面张力的影响，表面张力系数计算公式如式（4）所示•为了更好地捕捉气液分离界面，采用VOF模型进行计算，设置瞬态时间步长为0.0005s.将气态设置为主相，液态设为次相，液态水的密度采用多项式表示为温度的函数，其具体形式如式（7）所示.速度与压力耦合关系采用SIMPLE算法处理，能量与动量方程均采用二阶迎风格式,相体积分数采用几何重构法，压力插值采用PRESTO算法.设置连续性方程和动量方程残差收敛标准为10-4，能量方程的残差收敛标准为10"为探究不同充液率对重力热管传热的影响，分别对充液率为30%,50%,75%及100%进行计算，充液率通过在FLUENT中标记区域的方式设置气液相的体积分数获得.$#FC p（5-5）-（11）式中：f为冷却水流量,kg/s；C p为水的比热容,J/（kg-K）；5为冷却水出口温度,K;5为冷却水进口温度，K._______$2$45,tD c(12)式中：D c为冷凝段对流传热系数,W/（m2•K）；$为冷凝段传热量,W；5,t为冷凝段平均温度,K;5为冷却水平均温度,K.表2不同功率下冷凝传热系数值蒸发段输入功率$6宀冷却水温度几/K冷凝段$/W5c,ca/K D c/(W/(m2/K))100.41298.9953312.41509.3172.87301.45162.6318.07707.6225.25302.95192.2320.55790.6275.60305.2236.6325.95824.9299.52306.3254.8323.911046.6376.14309.4336.6330.331163.52.3源项设置为了实现流体在重力热管内部的传热传质过程，编写UDF程序加入质量及能量源项.根据Schepper 等［17（在2009年提出的相变过程中气液两相的能量质量传递公式,如表3所示.当重力热管中混合相的温度大于饱和温度时（即表3中5>5a.）,蒸发过程开始，水由液相蒸发为水蒸气，饱和水蒸气经绝热段上升至冷凝段，当混合相的温度小于饱和温度时（即表3中5<5a.）,冷凝过程开始，饱和水蒸气与冷凝壁面进行放热冷凝为液体•表3中，S”为体积分数方程中的质量源项；5at为饱和温度,K；5,5分别为液相、气相温度，K；"t,"i分别为液相、气相的体积分数，S r为能量方程中的能量源项，△/为流体的相变潜热,J/kg.设置饱和温度5at为373K,水的汽化潜热为2455000J/kg.将表3中的能量质量源项表达式通过UDF编程导入FLUENT中，定义气液及混合相的源项再进行计算-第4期卿倩，等:重力热管内部相变传热过程的数值模拟61表3质量和能量转移公式传递类别相变过程相态源项「5 - 5as 液相S m .1 "\P\ 5蒸发过程5 > 5詁』sat「5 - 5S as 气相S m.1 "lPl5 15saF质里传递5e - 5a s 液相S o = .2"P p亠 J冷凝过程5 < 5assat5e - 5st 气相S o =-.2 "ie ^^05as 蒸发过程5 > 5asS c =-.1 "PO 耳冬5能量传递5 - 5 o 冷凝过程5 < 5詁S c = .2 "ie 丄"Jsat3计算结果与讨论32流态分析图3为加热功率为172.87 W 时蒸发段内气液两相体积分数分布图，花纹部分代表只有液相时（即液相体积分数为1），黑色部分代表只有气相时（即液相体积分数为0）.在最开始时（t 0 s ），液相占据蒸发段 的50%,受到蒸发段恒定热流量的加热，贴近壁面处最开始受热形成气泡，慢慢地小气泡开始运动聚合成 较大的气泡，相邻的聚合气泡在上升过程中再聚合,在加热面上将形成一个气柱，随着上升气泡的不断聚 合，气相体积分数的比例逐渐增大，由图3的不同时刻时气泡分布可看出液体经壁面受热后从泡状流动到弹状流动再到环状流动的变化过程.随着热量的持续输入，液态工质不断受热蒸发，其大量的饱和蒸汽经由绝热段流向冷凝段.饱和水蒸汽到达冷凝段后，在冷凝段壁面遇冷释放潜热后冷凝成液态水贴附在壁面，最初水蒸汽量较少，在冷凝段壁面会形成液珠状呈珠状凝结，随着蒸发过程的不断进行,越来越多的饱和水蒸汽在冷凝壁面凝结,最初的珠状凝结慢慢聚合成液膜状形成膜状凝结，图4为最终达到稳定状态时 冷凝段壁面产生的液膜图-图3不同时刻下蒸发段内相态体积分数0.950.900.850.800.750.700.650.600.550.500.450.400.350.300.250.200.150.100.05图4达到稳定时冷凝壁面液膜32重力热管传热性能重力热管整体传热性能可由整体热阻来体现,热管总传热量$正比于传热温差,反比于总热阻，其具 体表达式如式（13）所示，热管的整体热阻可由式（14）计算得到-62矿业工程研究2019年第34卷式中：）为重力热管的总热阻,K/W；5aa"CFD为数值模拟所得蒸发段的平均值,K；5aa"CFD为数值模拟所得冷凝段的平均值,K；$"为输入热功率"W.表4为不同热功率下重力热管各段平均温度实验值［13］与本文模拟值的对比及在不同加热功率下的热阻值•由表4可以看出,模拟结果与实验值的趋势大致相同,平均误差分别为8.48%,10.08%,2.46%，可认为此次模拟能有效地反映热管内部传热传质状态.表4不同热功率下重力热管各段平均温度模拟值与实验值的对比功率蒸发段绝热段冷凝段热阻$n小5vca/K实验值5存模拟值)/%5/K实验值5/K模拟值)/%5c,ca/K实验值5c,ca/K模拟值)/%^EXP/(K/W)^CFD/(K/W)100.41343.00374.619.21321.25364.6413.51312.412334.467.060.30460.3999 17237341.60378.4310.78327.45364.5811.34318.070328.43 3.260.13610.2892 225.25348.30381.23932331.05364.6010.13320.550326.80 1.950.12230.2416 275.60356.10384.417.95335.55365.668.97325.950327.540330.10940.2063 299.52358.75385.74735336.25365.528.70323.910323.260.200.11630.2086 376.14370.20391.89536342.75369.517.81330.330324.49 1.770.10600.1992平均误差/%8.4810.08 2.46图5为不同输入热功率下热管各段测温点实验值［13］与本文模拟值的对比，模拟的蒸发段平均值与实验值有一定的偏差,而冷凝段表现很好的一致性•这是由于在实验中，热管蒸发段外部缠绕电热阻丝，由热阻丝加热从而加热蒸发段外壁，会产生蒸发段外壁加热不均现象，而模拟中是通过给定恒定热功率计算得出，但是由于充液率为50%,150mm处为蒸汽区,故温度会高于处于液池内的50mm处温度.图5不同热功率下重力热管各段壁温图6给出了在不同输入热功率下重力热管总体热阻实验值与模拟值的对比，由整体趋势看模拟与实验大致相同,在一定范围内（除299.52W时）,总热阻随着加热功率的增大而减少,这是由于加热功率的增加使管内工质更快受热，从而产生气泡的速度增快,气泡间的碰撞更加强烈，加强了热管的传热性能；由热阻计算式及表4计算结果看,不同热功率下热管运行达到稳定后，蒸发段与冷凝段温差相差并不大，由此热阻也会随着加热功率的增大而减小•在功率为299.52W时，此时计算出的热阻相对于热功率为275.6W略微增大，这点与实验数据完全吻合•而图6中显示在低热功率下，热阻的模拟值与实验值相差较大，这是由于在CFD模拟中，蒸发段的温度第4期卿倩，等:重力热管内部相变传热过程的数值模拟63要比实验值大得多，且冷凝段的温度与实验值对比相差不太大,这就导致了蒸发段与冷凝段的温差相较实验值要大，故热阻值会比实验结果大•热管热阻在低功率下受加热功率的影响较明显，而在加热功率大于170W后，热管热阻随加热功率增加而减少的速率下降，相对独立于输入功率-32充液率对重力热管传热性能的影响充液率（FR）为液体水占蒸发段体积的百分比，图7为4种输入热功率（100.41,172.87,225.25,275.6W）时，不同4种充液率下（分别为FR=0.3,0.5,0.55,1）重力热管壁面温度分布.由图7b~图7d可以看出，充液率FR对蒸发段的影响显著,而冷凝段温度几乎无明显变化.由图7可知，在充液率为1时，蒸发段温度分布均匀，无明显波动，而在其他3种充液率下，蒸发段上部出现明显温升.各段温度明显上升的起点所对应的位置为不同充液率下的液体初始高度值（如FR=0.3,则最开始温升位置为60mm处），这是由于蒸发段上部的蒸汽受热形成过热蒸汽,在内壁形成气膜提高了蒸发段上部壁面的温度值•对比图7各图可发现，当FR为0.3时，在不同加热功率下，均在0.1m时蒸发段壁温达到峰值，这是由于充液率FR为0C 时，相对于其他3种充液率在0.1m处蒸汽含量较大,导致壁温升高，同样原因FR为0.5,0.55时壁温峰值的发生位置随之推移•加热功率为172.87W,充液率为0.3,0.5,0.75时蒸发段温度峰值相对于充液率为1时分别增比为1C%,1.54%,0.68%.加热功率为225.25W时，充液率为0.3,0.5,0.75相对于充液率为1时峰值温度增比为2.63%,2.55%,1.56%.加热功率为275.6W时，充液率为0.3,0.5,0.75相对于充液率为1时峰值温度增比为3.82%,3C%,1.97%.而冷凝段温度无明显变化，热管顶端相对冷凝段温度较高,这是由于在模拟中冷凝段上部壁面设置为绝热,从蒸发段上升的过热蒸汽在热管顶部聚集出现顶端温度较高的现象•对比图7a~图7d,可看出在较低加热功率（100.41W）时,FR对热管壁温影响不大，随着输入功率的增大,FR对重力热管蒸发段壁温的影响也逐渐增大-图7不同FR下重力热管壁面温度分布图8和图9分别为4种加热功率下不同充液率时热管蒸发段的平均温度和热管热阻值.由图8可知，在同一加热功率下,蒸发段均温随充液率FR的增加而降低，且温度下降的幅度在FR为0.5~0.75间最大;随着加热功率的增大，充液率FR对蒸发段均温的影响也逐渐加大.由图9可知，随着充液率的增大，重64矿业工程研究2019 年第 34 卷力热管的整体热阻值降低，在充液率为1时热阻最低;在低功率下，热管热阻几乎不随充液率的改变而改变;随着加热功率的增大，充液率对热管热阻的影响程度也逐渐加大;在相同充液率下，热管热阻随加热功率的增大而减少.6 5 4 3 2 1 8 78888888777 3333333333 兰翌ffl s T k部炭髒086420864208433333222221—■— 2=100.41 W -Q ：：=172.87 WQ ：=225.25 W -^― Q ：=275.6 W5o.4 o.30207o R F 60908o 0图8不同FR 下蒸发段平均温度 图9不同FR 下重力热管热阻4结论1) 运用CFD 模拟技术能很好地反映热管中液体工质受热蒸发冷凝的具体过程及现象，且VOF 模型能够真实准确的描述气液分离及气泡聚合现象.2) 在一定范围内，重力热管的总热阻随着加热功率的增大而减少，低功率下热管热阻受加热功率的影响较明显;而在加热功率大于170 W 后，热阻随加热功率增加而减少的速率下降，相对独立于输入功率.3) 充液率主要影响热管蒸发段的温度，对冷凝段影响不大;热管热阻随着充液率的增大而减小，且在 充液率为 1 时最小.参考文献：[1] 姚普明.热管应用现状及其发展'J ].动力工程,1983(2):59-65.[2] 纪绍斌，李生生.热管技术的应用与发展[J].山西建筑,2005 (13):140-141.[3] 魏新宇，李树勋，吴奇.热管技术的应用展望'J ].甘肃冶金,2006( 3) ：98-99•[4] 曹志高，杜海存,曹娟华.热管技术及其应用分析'J ].江西能源,2009( 3) ：39-41.[5] 韩振兴，王冬骁，王飞，等.重力热管冷凝段运行特征的可视化实验研究'J ].化工学报,2014,65( 8) ：2934-2939•[6] 曹小林，曹双俊,马卫武，等.新型重力热管换热器传热特性的数值模拟[J].中南大学学报(自然科学版)，2013,44(4)：1689-1694.[7] 战洪仁，李春晓,王立鹏，等.基于VOF 模型对重力热管内部沸腾冷凝过程的仿真模拟[J ].冶金能源,2016,35 ( 1)：30-34.[8] 张劲草，辛公明，陈岩，等.蒸发段和冷凝段变化对重力热管性能的影响'J ].化工学报,2017,68(4):1343-1348.[9] 陈军,李家鹏，曹菁，等.重力热管内部传热传质过程的数值模拟'J ].制冷与空调,2017,17(9):17-21.[10] 张龙,吴志湘，邓保顺.某超长重力热管提取地热技术的试验分析及改造措施'J ].节能,2015,34( 10):77-80.[11] 张云峰，罗嵩容,罗稀玉，等.重力热管内水相变换热的数值模拟[J ].长沙理工大学学报(自然科学版)，2016,13( 1):69-74.[12] 王啸远，朱跃钊,陈海军，等熱虹吸管相变传热行为CFD 模拟[J].中南大学学报(自然科学版),2017,48(5): 1391-1397.[13] Bandar F , Luiz C , Hussam J. Numericd modeVing of the temperature distribution in a two-phase closed thermosyphon [ J ].Applied Thermai Engineering , 2013(60) : 122-131.'14] Zied L, Abdelmajib J. Experimental investigation of a stainless steel two-phase closed thermosyphon ' J ]. Applied ThermalEngzn..izng , 2017( 121) :721-727.[15 ] Davaud J , Saure F , Alessandro F , et al. Unsteady experimental and numericcl analysis of a two-phase closed thermosyphon atdOerent filling ratios ' J ]. Experimental Thermal and Fluid Sciencc , 2017( 81) : 164-174.[16] BrackbC i 0 U , Kothe D B , Zemach C. A continuum method for modeling surface tension [ J ]. Journct of Computationcl Physics ,1992(100) :335-354.'17] De Schepper S CK, Heynderickx G J , Marin G B. Modeling the evaporation of a hydrocarbon feedstock in the convectionsection of a steam 00(37x 0 [ J ]. Computers & Chemiccl Engineering , 2009( 33) :122-132.。