管道中含有相变微胶囊的强化传热模拟创新实验设计*

伊 磊，王 乐，彭智勇，陈 斌

(江西理工大学国际创新研究院，江西 南昌 330013)

利用一些物质在相转变过程中的吸放热现象，可进行温度控制调节和储存热能。具有温度控制调节功能和储存热能的物质称为相转变材料(PCM，phase change materials)，即相变材料。在相变材料中引入微胶囊，能够增加相变材料的传热面积，提高其使用效率。在相变中材料体积的变化得以控制，有非常广阔的应用前景[1]。相变材料微胶囊(Micro-encapsulated phase-change materials)简称MEPCM，即利用微胶囊化技术，在相变微颗粒表面覆盖一层性能稳定的薄膜，构成芯-核结构的复合相变材料[2]。作为特殊的核-壳结构，当内核PCM相变发生时，外层的壳层可以保持稳定不变。这样，就解决了相变时体积的变化和泄漏的问题，也防止了PCM直接和外界环境接触，对PCM起到了保护的作用。另一方面，由于小半径的颗粒和大的表面积，MEPCM提供了很大的传热面积，而且因为壁薄，所以传热能力大大提高。作为蓄热器的填料，MEPCM具有工艺简单，成本低的特点，再加上优异的性能，目前已被广泛应用于纺织、军事、传热流体，建筑物、农业和其他领域中。

CFD是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)的简称。CFD是近代流体力学、数值数学和计算机科学所结合的产物。它以计算机为工具，应用各种离散化的方法，对各种流体力学的问题进行研究，用来解决各种实际问题。FLUENT是用来模拟流体流动及热传导的计算机程序，FLUENT采用C/C++语言编写，大大提高了计算机内存的利用率。为了高效执行，交互控制，及灵活地适应各种机器和操作系统，FLUENT使用client/server结构，因此它可以同时在用户桌面工作站和服务器上分离地运行程序。FLUENT具有完全非结构化网格、定常/非定常流动模拟的新功能、先进的动/变形网格技术、多网格支持功能、多种数值算法等功能及特点。

本文结合实际科研经验探索利用CFD软件模拟管道中含有相变微胶囊的强化传热过程。利用GAMBIT创建物理模型、画网格并设置边界，再以球形颗粒代表微胶囊，引入离散相模型来模拟含有相变微胶囊的悬浮液在管内流动，考虑颗粒对连续相的影响，再进行针对微胶囊的属性、颗粒喷射源等的具体设置。使学生通过对入口流速、颗粒半径和颗粒浓度等因素对强化传热的影响进行模拟，进一步深入理解相变微胶囊的强化传热机制。从而对能源动力专业的专业课程有更加深入的了解。

1 强化传热机理

微胶囊相变悬浮液就是由单相流体和微胶囊化的相变材料组成的一种相流变体。与传统的单相流体相比，它能够强化换热。根本原因有两点：首先是相变材料在小温度区间内的相变会造成悬浮液表观比热增加较大，其次是固态颗粒的微对流效应会导致悬浮液的有效导热系数增加。微胶囊相变悬浮液中的颗粒和周围的流体之间存在“微对流效应”。所谓“微对流”是指微胶囊颗粒与周围载流体间产生的相对涡旋运动。这种相对涡旋运动会显著提高微胶囊颗粒与载流体间的热传递，而这种增强效果与悬浮液有效导热系数的增加等同。

在学生了解了管道中相变微胶囊强化传热的机理后，再进行进一步的假设确定、模型建立、边界条件设置以及多影响因素下的模拟实验，使学生能够深入了解强化传热的机理与效果并进行定量分析，了解多因素影响下的强化传热效果并与理论相结合从而深入理解能源与动力专业课程，还能够掌握CFD软件的常规设置方法。

2 模拟实验介绍及操作步骤

CFD一般由前处理、求解器、后处理组成。前处理、求解器及后处理三大模块，各有其独特的作用，分别表示如表1所示。

表1 CFD三大模块及作用

首先利用GAMBIT创建物理模型，底面半径10 mm，高80 mm。画网格并设置边界条件：沿z轴正方向的两个地面依次设为速度入口(VELOCITY-INLET)和压力出口(OUTFLOW)，侧面设为固定壁面(WALL)。最后保存并输出文件。

文件创建好后即可进行模拟计算，进行如下操作：

(1)读入所创建的文件；

(2)检查网格。要保证其最小体积不能使负值，否则不能进行计算；

(3)建立求解模型。粘性模型选择k-epsilon，打开能量模型；

(4)设置操作环境，保持默认；

(5)DPM(离散相模型)基本设置：

·以球形颗粒代表微胶囊，引入DPM来模拟悬浮液在管内的流动。

·积分颗粒轨道迭代不熟输入10000，目的是计算完整的颗粒的轨道。

·选中Interaction with continuous phase，需考虑颗粒对连续相的影响。

·点击Define-Injections，创建新的颗粒喷射源。选惰性颗粒(particle type中选inert)，其余选项先接受默认设置，一会儿再修改。

(6)微胶囊材料属性的设置

点击Define-Materials，打开材料属性控制面板，设置惰性颗粒材料属性。在材料类型(Material type)中选择inert-particle，密度输入990，比热不变，导热系数设定为0.4。命名为micro-phase，单击Change/Create。出现对话框问是否覆盖，选择No。然后在Fluent Inert Particle Materials中选micro-phase。然后关闭该面板。

(7)颗粒喷射源的设定：

·选择射流源设置面板(Define-Injections)，设置已经创建的射流源。

·particle type中选择inert

·Injections Type选中surface，然后选择inlet

·颗粒材料为micro-phaze，直径1 mm

·Diameter Distribution中选择uniform

·选中Inject Using Facing Normal Direction和Scale Flow Rate by Face Area。温度设为380，速度设为0.1 m/s

·颗粒总质量流量率(Total Flow Rate)5e-07。

·设定完毕，关闭该面板。

(8)边界条件的设定：

悬浮液进入圆管，入口设为速度入口，速度为0.1 m/s，温度为350 K；出口为压力出口，管壁设定位固体壁面，温度设为300 K。

(9)离散相边界条件类型选择反射(Boundary cond. Type选reflect)，表示微胶囊撞壁后反弹回来。

(10)流场初始化(Solve中选Initialize-Initialize，在Compute From中选all-zones，点击Init，apply然后关闭)，然后在Solve-Monitors-Residual中选中Plot，迭代次数为1000并求解。

(11)截取残差图，如图1所示。

图1 两相流残差图(a)；颗粒轨迹追踪图(b)；两相流压力分布图(c)；两相流速度分布图(d)；两相流温度分布图(e)

3 计算分析

3.1 入口流速对强化传热的影响

保持其他数值不变，改变流体的入口流速，分别设为0.01 m/s、0.1 m/s、1 m/s。进行迭代计算，对结果进行比较。得出数据并作图可得到图2结果。由图2中可知，入口流速增大，压降显著增大，流动阻力增大，泵耗功增大。通过入口流速对努塞尔数的影响可知，随着入口流速的增大，努赛尔数越来越大，换热效果越强烈。说明入口对换热效果有一定的影响。

图2 压力随入口流速的变化

3.2 颗粒半径对强化传热的影响

保持其他数值不变，改变相变微胶囊的颗粒半径，分别设为1 mm，50 mm和100 mm。进行迭代计算，对结果进行比较。得出数据并作图可得到图3结果。由图3可知，随着微胶囊半径的减小，换热得以强化，但幅度不是很大。这说明微胶囊颗粒的直径对换热的影响不是很显著，它并不是主要因素。

图3 努赛尔数随颗粒半径的变化

3.3 颗粒浓度对强化传热的影响

保持其他数值不变，改变相变微胶囊的颗粒浓度，分别设为5e-7、20e-7和50e-7。进行迭代计算，对结果进行比较。得出数据并作图可得到图4结果。由图4可知，随着微胶囊体积浓度的增大，悬浮液的压力略有升高，但变化并不明显。通过对努塞尔数的影响可知，微胶囊体积浓度越大，努赛尔数越大，可以强化换热。

图4 压力随颗粒体积浓度的变化

4 结 语

本模拟实验利用FLUENT软件中的离散项模型对悬浮液进行了模拟计算。相比于传统的单相流体，微胶囊相变悬浮液起到了强化传热的作用并且效果显著。通过模拟计算，制表成图，可以得出以下结论：

(1)微胶囊颗粒的浓度是影响强化传热的一个很重要的因素。颗粒的浓度越大，沿Z轴的温度变化越显著，努赛尔数增大，强化效果越显著。由此可见，颗粒浓度对悬浮液换热强化的影响很显著。

(2)入口流速也是影响换热强化的一个因素。结果表明，入口流速越大，努赛尔数越大，换热效果越强烈，效果越明显。

(3)微胶囊颗粒的直径对换热也有一定的影响，但效果不是很显著。所以颗粒直径并不是影响换热强化的主要因素。

该模拟实验激发了大学生的创造性思维，在实验条件不足的情况下可以让每一位同学通过亲手设置模拟参数深入了解理论公式中各物理量的意义，充分激发了大学生的研究热情，培养了学生的动手实践能力，促进了理论和实践相融合，具有重要的现实意义，也符合国家对符合创新性人才的培养要求。