论文摘要
热管具有高效传热特性,在诸多领域有着极其重要的应用。因此,对热管内的流体流动和传热以及热管换热器的传热性能的研究和结构优化,具有重要的理论意义和应用价值。热管内的流体流动与传热过程是一个复杂的两相流动与相变传热问题。目前,热管的研究工作多以实验为主,热管内两相流动与传热过程的理论研究报道不多。以流体力学和传热学为基础,开敞空间热管和闭式热管内的沸腾传热特性还有待进一步的研究。传统热管换热器设计和理论研究通常应用宏观分析手段,采用整体平均方法进行计算,在计算过程中采用平均方法和经验公式,并假定热管本身的传热特性为一固定值。然而,热管的传热特性随着热管外部流体流动和传热特性变化而变化,二者的割裂无法对热管换热器的传热特性进行正确求解,因此传统的设计计算和理论研究存在一些不足。目前,热管及热管换热器正向微型化、高效化、结构紧凑化方向发展,而相关理论模型的建立也是国际同行关注的热点问题。针对以上热管及热管换热器研究的现状和发展趋势,本文主要进行了以下四方面研究工作。1.针对开敞空间热管沸腾传热过程,通过引入两相流混合物模型,建立开敞空间热管沸腾传热模型。在模型计算过程中,采用变物性参数的方法考虑浮升力的影响、对比分析选择合适的经验公式描述汽泡直径和脱落直径、合理选择相界面质量和能量源项中比表面积的计算公式。通过该模型计算得到的开敞空间热管沸腾传热系数与文献实验关联式的结果吻合。并根据开敞空间沸腾传热系数与闭式热管液池内沸腾传热系数的关系进行修正,得到单根热管液池内的沸腾传热模型。2.针对单根热管内流动与传热过程,建立热管内冷凝段、蒸发段的流动传热模型。冷凝段的膜状冷凝过程,考虑界面剪切力和过冷度的影响,对Nusselt模型进行修正,并应用于该段计算;液池内的沸腾传热过程,采用单根热管液池内的沸腾传热模型计算;液池以上部分的膜状蒸发过程,考虑界面剪切力和过热度影响,对Nusselt模型进行修正,并应用于该段计算。根据能量守恒和质量守恒原理,对三段模型联合计算,得到低Re数下单根热管的传热特性关联式。比较求解结果与文献实验值以及Nusselt理论值,本文模型的求解结果更接近文献实验值。同时,运用本文建立的模型,研究了热管的几何结构、充液量、工质等对热管传热性能的影响,分析了单根热管的内部传热机理。3.热管换热器的传热性能取决于热管管内饱和蒸汽温度和热管自身传热性能对管外流体温度分布的影响,本文建立了更符合实际工况的耦合源模型。该模型以单根热管模型的研究为基础,将热管描述为关联热管换热器冷凝段传热系数和热管饱和蒸汽温度的“有源”固体区域,该区域与外界流体的热边界条件采用同时满足温度连续、热流密度连续的耦合边界条件,从而将热管换热器内冷却段和加热段视为带源项的固体区域与外界流体区域相互耦合的对流传热过程。耦合源模型整体描述了热管换热器内流动与传热特性,更便于深入研究热管换热器控制热阻侧(即冷、热流体侧)的流动和传热性能,进而为热管换热器设计和优化过程提供理论依据。4.本文以热管换热器冷却段的研究为基础,应用本文建立的耦合源模型和场协同原理,研究了热管换热器的入口条件和热管几何位置排列等相关因素对热管换热器传热特性的影响,并对其进行优化。从理论上验证了文献中关于入口流速经验取值范围的合理性;并发现热管的布置方式对热管换热器的强化传热具有显著的影响,热管水平间距对于强化传热过程存在最佳位置,提出了最佳的水平间距和热管布置方式。
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标签：耦合源模型论文; 两相流混合物模型论文; 相变传热论文; 热管换热器论文; 强化传热论文;