脉动热管激励机制强化传热数值研究

刘建红　邓涛　白俊超　于民　郑妥

摘 要：文章以脉动热管内传热传质为出发点，利用数值模拟方法，建立二维模型，采用混合模型（Mixture model）和欧拉模型（Euler model）对脉动热管内传热传质进行了研究，通过对计算结果的比较分析确定哪种模型更适合用于研究脉动热管内传热传质的流动过程。

关键词：脉动热管；传热传质；数值模拟；混合模型；欧拉模型

中图分类号：TK124 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）04-0032-02

Abstract： Taking the heat and mass transfer in pulsating heat pipe as the starting point， a two-dimensional model is established by using numerical simulation method. The heat and mass transfer in pulsating heat pipe was studied by using mixture model and Euler Model. Through the comparison and analysis of the calculated results， it is determined which model is more suitable for studying the flow process of heat and mass transfer in pulsating heat pipe.

Keywords： pulsating heat pipe； heat and mass transfer； numerical simulation； mixture model； Euler model

引言

脉动热管作为一种新型高效的换热装置最早是由日本学者Akachi[1]提出的。虽然目前对脉动热管的研究仍处于应用基础阶段，真正的商业化产品还较少，但因其环境适应性强、传热能力突出、制作简易且成本低等的优点成为被推广应用的有利条件。如今，脉动热管的研究已经做了很多，具体可以分为实验研究、数值模拟研究和理论研究。目前各国学者对脉动热管的研究主要以实验为主，主要是研究管径[2-4]、管内工质[5-7]、加热方式[8]、倾角[9]、填充率[10]等因素对脉动热管运行和传热效果的影响。数值模拟作为现代科学研究的一个重要手段，被越来越多的应用到科学研究和生产实践中，成为与理论研究、实验研究并重的第三大研究手段，既脱胎于数值计算理论，又有良好的可视化结论和精确的数据分析，能够对理论和实验研究方式进行有效补充，使彼此相互印证。本文采用数值模拟方法，采用混合模型（Mixture model）和欧拉模型（Euler model）对脉动热管内传热传质进行数值模拟，用于确定哪种模型能更好的了解和研究脉动热管的传热传质机理。

1 几何模型及数值模拟模型

1.1 几何模型及边界条件

如图1所示：本文以文献[11]脉动热管换热器为原型，计算过程中建立二维的脉动热管（振荡流热管）模型，把脉动热管划分为三个区域，下部为蒸发段/加热段（evaporation section），中间为绝热段（adiabatic section），上部为冷凝段（condensation section）。几何模型高为1m，宽为0.2m。由于几何模型较为简单，对称，故生成结构网格，网格数目为200000。把蒸发段（evaporation section）和冷凝段（condensation section， ）都设置为第一类边界条件[12]，温度分别设为573.15K和372.15K，把绝热段（adiabatic section）设为第二类边界条件即绝热边界条件，热流密度qc设为0。

1.2 数值模拟模型比较

混合模型（Mixture model）是多相流模型的一种简化，可以模拟计算两相或多相流中各相以不同速度运动的流体问题。混合模型通过求解混合相的连续性方程、第二相的体积分数方程，以及相对速度的代数表示来实现多相流体的模拟计算。欧拉模型（Euler model）则是通过建立一套包含有多个动量方程和连续性方程的方程组，来求解多项流中每一相的运行问题。

2 计算结果分析与讨论

2.1 混合模型（Mixture model）和欧拉模型（Euler model）在相同时刻的气相体积分数曲线比较

图2分别为Mixture与Euler模型在1s时的气相体积分数分布云图，从图中可以看出：Mixture模型和Euler模型在加热段底部均有都有气相析出，说明此时脉动热管已经热启动，但是相对于Euler模型来说，Mixture模型在加热段底部产生的气相相对较少，但是在冷凝段却有较多的气相析出，而Euler模型在冷凝段没有气相析出，显示欧拉模型并没有模拟到脉动热管内工质振荡流动。

图3分别为Mixture与Euler模型在10s时的气相体积分数分布图，从图中可以看出：Mixture模型和Euler模型在加热段，绝热段和冷凝段均有气相析出，且都呈波動状态，说明采用Mixture与Euler模型均能模拟到脉动热管内工质受热，在毛细蕊和表面张力作用下气化，在传热过程中，气塞在蒸发过程中气泡聚合，气液两相分离，形成气塞，液塞交替分布。从图中可以看出采用Mixture模拟出的气塞与液塞更为明显，并且较为稳定，在绝热段气相体积分数出现了较大的波峰，这说明Mixture模型能更好模拟出脉动热管内小气泡聚合成大气泡，气液分离形成液塞与气赛的过程，这与文献[12]中的结论是一致的，说明Mixture模型更适合模拟脉动热管内传热传质过程，为以后能更好的研究脉动热管内激励脉动流动打下了理论基础。endprint

2.2 Mixture模型在不同时刻的气相速度曲线比较

图4为Mixture模型在不同时刻的气体速度曲线比较，从图中可以看出Mixture模型与在第5s时气体速度曲线就已基本达到稳定，气体速度曲线波动较小，气体速度更加稳定。这说明Mixture模型能够更好地模拟脉动热管内气液两相运行现象，即Mixture模型更适合于脉动热管的数值模拟。

3 结束语

本文采用数值模拟方法，采用混合模型（Mixture model）和欧拉模型（Euler model）对脉动热管内传热传质进行数值模拟，研究发现Mixture模型能更好模拟脉动热管内气化-冷凝过程，为进一步了解和研究脉动热管的传热传质机理奠定了基础。

参考文献：

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