脈動熱管激勵機制強化傳熱數值研究

劉建紅　鄧濤　白俊超　于民　鄭妥

摘 要：文章以脈動熱管內傳熱傳質為出發點，利用數值模擬方法，建立二維模型，采用混合模型（Mixture model）和歐拉模型（Euler model）對脈動熱管內傳熱傳質進行了研究，通過對計算結果的比較分析確定哪種模型更適合用于研究脈動熱管內傳熱傳質的流動過程。

關鍵詞：脈動熱管；傳熱傳質；數值模擬；混合模型；歐拉模型

中圖分類號：TK124 文獻標志碼：A 文章編號：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

脈動熱管作為一種新型高效的換熱裝置最早是由日本學者Akachi[1]提出的。雖然目前對脈動熱管的研究仍處于應用基礎階段，真正的商業化產品還較少，但因其環境適應性強、傳熱能力突出、制作簡易且成本低等的優點成為被推廣應用的有利條件。如今，脈動熱管的研究已經做了很多，具體可以分為實驗研究、數值模擬研究和理論研究。目前各國學者對脈動熱管的研究主要以實驗為主，主要是研究管徑[2-4]、管內工質[5-7]、加熱方式[8]、傾角[9]、填充率[10]等因素對脈動熱管運行和傳熱效果的影響。數值模擬作為現代科學研究的一個重要手段，被越來越多的應用到科學研究和生產實踐中，成為與理論研究、實驗研究并重的第三大研究手段，既脫胎于數值計算理論，又有良好的可視化結論和精確的數據分析，能夠對理論和實驗研究方式進行有效補充，使彼此相互印證。本文采用數值模擬方法，采用混合模型（Mixture model）和歐拉模型（Euler model）對脈動熱管內傳熱傳質進行數值模擬，用于確定哪種模型能更好的了解和研究脈動熱管的傳熱傳質機理。

1 幾何模型及數值模擬模型

1.1 幾何模型及邊界條件

如圖1所示：本文以文獻[11]脈動熱管換熱器為原型，計算過程中建立二維的脈動熱管（振蕩流熱管）模型，把脈動熱管劃分為三個區域，下部為蒸發段/加熱段（evaporation section），中間為絕熱段（adiabatic section），上部為冷凝段（condensation section）。幾何模型高為1m，寬為0.2m。由于幾何模型較為簡單，對稱，故生成結構網格，網格數目為200000。把蒸發段（evaporation section）和冷凝段（condensation section， ）都設置為第一類邊界條件[12]，溫度分別設為573.15K和372.15K，把絕熱段（adiabatic section）設為第二類邊界條件即絕熱邊界條件，熱流密度qc設為0。

1.2 數值模擬模型比較

混合模型（Mixture model）是多相流模型的一種簡化，可以模擬計算兩相或多相流中各相以不同速度運動的流體問題。混合模型通過求解混合相的連續性方程、第二相的體積分數方程，以及相對速度的代數表示來實現多相流體的模擬計算。歐拉模型（Euler model）則是通過建立一套包含有多個動量方程和連續性方程的方程組，來求解多項流中每一相的運行問題。

2 計算結果分析與討論

2.1 混合模型（Mixture model）和歐拉模型（Euler model）在相同時刻的氣相體積分數曲線比較

圖2分別為Mixture與Euler模型在1s時的氣相體積分數分布云圖，從圖中可以看出：Mixture模型和Euler模型在加熱段底部均有都有氣相析出，說明此時脈動熱管已經熱啟動，但是相對于Euler模型來說，Mixture模型在加熱段底部產生的氣相相對較少，但是在冷凝段卻有較多的氣相析出，而Euler模型在冷凝段沒有氣相析出，顯示歐拉模型并沒有模擬到脈動熱管內工質振蕩流動。

圖3分別為Mixture與Euler模型在10s時的氣相體積分數分布圖，從圖中可以看出：Mixture模型和Euler模型在加熱段，絕熱段和冷凝段均有氣相析出，且都呈波動狀態，說明采用Mixture與Euler模型均能模擬到脈動熱管內工質受熱，在毛細蕊和表面張力作用下氣化，在傳熱過程中，氣塞在蒸發過程中氣泡聚合，氣液兩相分離，形成氣塞，液塞交替分布。從圖中可以看出采用Mixture模擬出的氣塞與液塞更為明顯，并且較為穩定，在絕熱段氣相體積分數出現了較大的波峰，這說明Mixture模型能更好模擬出脈動熱管內小氣泡聚合成大氣泡，氣液分離形成液塞與氣賽的過程，這與文獻[12]中的結論是一致的，說明Mixture模型更適合模擬脈動熱管內傳熱傳質過程，為以后能更好的研究脈動熱管內激勵脈動流動打下了理論基礎。endprint

2.2 Mixture模型在不同時刻的氣相速度曲線比較

圖4為Mixture模型在不同時刻的氣體速度曲線比較，從圖中可以看出Mixture模型與在第5s時氣體速度曲線就已基本達到穩定，氣體速度曲線波動較小，氣體速度更加穩定。這說明Mixture模型能夠更好地模擬脈動熱管內氣液兩相運行現象，即Mixture模型更適合于脈動熱管的數值模擬。

3 結束語

本文采用數值模擬方法，采用混合模型（Mixture model）和歐拉模型（Euler model）對脈動熱管內傳熱傳質進行數值模擬，研究發現Mixture模型能更好模擬脈動熱管內氣化-冷凝過程，為進一步了解和研究脈動熱管的傳熱傳質機理奠定了基礎。

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