基于VOF与Mixture模型的径向热管数值模拟

韩超灵，邹琳江

（安徽工业大学 能源与环境学院，安徽 马鞍山243002）



基于VOF与Mixture模型的径向热管数值模拟

韩超灵，邹琳江

（安徽工业大学 能源与环境学院，安徽 马鞍山243002）

采用VOF与Mixture多相流模型相结合的方法对径向热管截面进行数值模拟，分析比较两者的工况特性。VOF模型可以清晰地描述管内工质相变过程和温度分布，Mixture模型则在速度场描写更加明显。综合比较，VOF模型能够更加客观地描述热管内部工质相态变化规律。

径向热管；VOF模型；Mixture模型；两相流

随着我国节能工作的深入发展，采取有效的节能措施成为研究的重点［1-3］。径向热管结构分为内管、外管和中间工质夹层。在启动升温过程中，没有轴向传热热管时常出现的温度脉冲和过热现象［4-6］。在冷源流体强制对流条件下，冷源流体都受热均匀，没有温度突变现象［7-8］。这样的特点使得其广泛应用于防止露点腐蚀的换热器和空间狭隘的热交换设备中。

目前基于径向热管的模拟研究主要使用CFD模拟软件Fluent中的多相流模型。Fadhl等［9］模拟了以R134a和R404a为工质的热虹吸管管壁液膜特性。Rahimi等［10］以水为工质模拟发现加热功率在300～350 W之间的增加，热虹吸管的效率随之提高。涂福炳等［11-12］模拟研究了以水为工质的径向热管内部温度场与速度场分布。本文以同轴径向热管为研究对象，运用ANSYS14.5中VOF与Mixture多相流模型对比分析内部参数的变化特性。

1　研究对象与模型

1.1径向热管模型

由于本文采用的热管模型为同轴径向热管，相比于热管管长而言其直径很小，因此可以用热管出口处径向截面来简化代替整个热管的换热情况。图1为模拟结构截面示意图，外管管径为43 mm，厚度为3.5 mm；内管管径为25，厚度为2.5 mm。热管材料为铜，内部工质和热交换介质均为水。

1.2相变模型

多相流VOF模型适合于分层的或自由表面流，而Mixture模型适合于流动中有相混合或分离，或者分散相的体积分数（volume fraction）超过10%的情形。对于两种模型中的相变的过程需要添加质量源项（SM）与能量源项（SE）［10］，通过 UDF编译代码到Fluent里的控制方程中。

图1　热管截面图

式中：β1、β2分别为蒸发与冷凝过程质量传输的时间松弛因子，一般情况均取0.1；αl与αv分别为液相与气相的体积比率；ρl，ρv为液相与气相的密度，kg/m3；T、TS分别为工质温度与饱和温度，K；ΔH为相变潜热，J/kg。

2　数值模拟

2.1网格划分

利用ANSYS 14.5中的建模软件ICEM对热管模型进行网格划分，网格采取三角形与四边形相结合的方式，如图2所示。外壁与内壁均为四边形结构化网格，中间内腔为三角形网格。在内壁外围有6层厚度0.01 mm，扩展系数1.2的边界层网格，整个模型总网格数为186 000。

2.2边界条件

如图2所示，a为恒定热流边界，加热功率8 000 W/m2；b为恒定热流边界，冷却量为-5 000 W/m2，其余均为耦合边界。两种模型参数相同，见表1。

图2　网格划分图

表1　热管物性参数

2.3模拟结果

2.3.1气液两相分布

模拟过程在60 s后趋于稳定，图3为稳定后热管内部蒸汽与水的两相分布。图（a）为VOF模型分布，可以看出两相之间界面明显，液相与气相之间有微小过渡带；图（b）为Mixture模型分布，其两相之间分界不明，液相显容积比率随着蒸发过程逐渐递减。图4是热管内部蒸发与冷凝相变分布，图（a）、（c）和（b）、（d）分别为VOF模型与Mixture模型蒸发侧与顶部冷凝侧，可看出VOF模型蒸发主要是界面表面蒸发过程，其原因是管壁温度略高于蒸发温度，过热温度很小不足以产生核态沸腾。在冷凝侧，由于壁温低于饱和温度，有明显的液体存在于管壁。而Mixture模型则没有明显的液池，在大部分区域均为气液共存状态，只有在贴壁处有明显液态分布。

图3　热管气液分布图

图4　管内相变界面图

2.3.2速度分布

热管内部的速度分布如图5所示，（a）与（b）为VOF模型热管顶部与蒸发表面处速度矢量图。可以看出蒸汽在蒸发表面速度场较为复杂，变化剧烈且出现漩涡。两侧蒸汽在顶部交汇后，沿着内管表面出现回流，由于壁面摩擦应力作用，越靠近壁面处的速度越小。（c）与（d）为Mixture模型的速度分布，可以看出在蒸发侧的速度变化与VOF模型一样剧烈，并且出现很多漩涡。在顶部蒸汽相遇后速度大小变化更为规律，并且可以很好的分辨出两股蒸汽交汇时的分界面与速度流势。

图5　管内速度分布矢量图

2.3.3温度分布

由图6温度分布云图可以看出VOF模型模拟的最高温度比Mixture模型高3 K左右。并且在分布区域上，VOF模型在气态区与Mixture模型均为均匀分布。而在液态区前者温度梯度很大，并在外壁面内部出现热阻，后者则分布与气态区相比差异不大，壁面因此没有热阻产生。图7（a）～（d）分别为图2所示1～4方向上的温度分布，其中（a）与（b）为竖直向上与水平方向，可以看出Mixture模型温差为1 K左右，而VOF模型靠近内壁温度较低，随之逐渐增加直至外壁面达到最大值，温差为8 K左右；（c）与（d）为45°和垂直向下方向，在管内夹腔的温度分布在增加的过程中出现缓滞，这是由于在这两种方向上出现了气液交界面，蒸发冷凝过程导致温度出现波动。

图6　热管温度分布图

图7　不同位置的温度分布图

3　结论

（1）径向热管Mixture模型只有在壁面冷凝处可以观察到明显的冷凝液膜，而VOF模型可以较好的描述蒸发冷凝现象中气液界面的分布规律。

（2）VOF模型在描述热管内部速度场方面有所不足，Mixture模型则可以更加细致和明显的描述管内速度变化情况。

（3）VOF模型在模拟热管内部温度变化方面更加合理，考虑了工质蒸发冷凝作用，在相变表面出现的温度波动。由Mixture模型只能笼统的得到趋于均匀的温度分布。

综合比较，VOF模型能够更加客观的描述热管内部工质相态变化规律。结合两种模型的模拟结果分析表明，径向热管传热温差小，换热效果好，其在工业中低温余热利用方面有着很好的潜力。

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Numerical Simulation Study on Radial Heat Pipe Based on VOF Model and Mixture Model

HAN Chaoling，ZOU Linjiang
（College of Energy and Environment，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243002，China）

The cross section of radial heat pipe was simulated with VOF and Mixture multiphase flow model，and the two conditions were analyzed and compared.The VOF model can describe clearly the phase change process and temperature distribution in the tube.However，the Mixture model is more obvious in the velocity field description.It is concluded that the VOF model can describe the internal phase change of the heat pipe more objectively.

radial heat pipe；VOF model；mixture model；two-phase flow

TK172.4

A

1001-6988（2016）02-0024-04

2015-11-30

韩超灵（1991—），男，硕士研究生，主要从事热能工程领域的研究.