重力热管中传热与流动数值模拟分析及案例比较

重力热管中传热与流动数值模拟分析及案例比较
摘要：针对fluent模拟中有三种模型这个事实，本文通过对国内外的热管数值模拟实例的分析比较，总结出fluent中使用的三
种模型的差异和适用性，证明了数学模型及求解过程的正确性，为优化重力热管设计参数和提高重力热管的换热性能提供了理论依据。

关键词:重力热管， fluent，数学模型
abstract: aiming at the fluent simulation of the fact that there are three kinds of model, in this paper numerical simulation of heat pipe at home and abroad of example analysis and comparison, sums up the use of three kinds of fluent model, and the difference of the applicability, and prove the mathematical model and the correctness of the solving process, to optimize the gravity heat pipe design parameters and improve the gravity of the heat pipe heat exchange performance provides theory basis.
keywords: gravity heat pipe, fluent, the mathematical model
中图分类号：te08文献标识码：a 文章编号：
1．引言
随着社会的发展，能源问题己经日趋严重，节能的呼声也日益
高涨。

热管作为一种高效传热元件己经在各种热能综合利用场合得到了应用，并体现了巨大的优越性。

重力热管又称两相闭式热虹吸管，是一种十分重要的热管，它依靠重力回流工作液，其壳体内壁无吸液芯结构，在重力场中，只要求把冷凝段置于蒸发段上方。

与吸液芯热管相比较，它不仅结构简单，制造成本低廉，而且传热性能优良，具有较高的传热极限，工作十分可靠[1]。

重力热管内部流动为汽液两相流，流动中的工质会经历复杂的汽液两相转换过程，是一个复杂的传热系统。

关于重力热管内流动状态与传热特性，尽管国内外学者都进行了大量的实验和理论研究，至今仍未得到圆满解决。

建立数学模型是研究热管传热性能和内部工质的流动过程的一种重要的方法，它可以深入到传热机理的核心，为热管的各种运行工况提供较为可靠的预测，为热管的设计和应用提供依据。

由此，对重力热管流动与传热性能进行数值模拟是非常有必要的。

通过cfd(computational fluid dynamics)模拟计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而改进并使其更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。

2．重力热管传热与流动数值模拟案例的比较分析
在fluent中，共有三种欧拉－欧拉多相流模型[2]，分别为：流体体积模型（vof model）、混合物模型（mixture model）和欧拉模型（eulerian model）。

vof模型是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。

当需要得到一种或多种互不相融流体间的交界面时，可以采用这种模型。

mixture模型可用于两相流或多相流(流体或颗粒) 混合物模型的
应用包括低负载的粒子负载流、气泡流、沉降和旋风分离器。

混合物模型也可用于没有离散相相对速度的均匀多相流。

eulerian模型是fluent 中最复杂的多相流模型，通过大量的方程可以求解每一相的情况。

2.1 实例
实例一：伊朗拉齐大学和科威特大学的asghar alizadehdakhel 等教授[3]以重力热管中的流动并同时伴随蒸发和冷凝现象为模型，用vof（体积模型）来模拟汽-液两相的相互作用阶段。

在热管中以不同的操作条件进行实验。

实例二：中国石油大学的曹丽召硕士[4]在前人关于重力热管实验和理论研究的基础上，分析热管内部的流动和传热过程，并运用合理的假设条件，在二维柱坐标系下建立了描述重力热管内部流动和传热过程的数学模型。

对于所建立的二维数学模型，采用求解压力耦合方程组的半隐式方法（simple算法）编写c语言计算机程序进行求解。

在此基础上改变重力热管工作温度、蒸发段热流密度、冷凝段和绝热段长度比以及热管长度直径比等参数，分别计算分析以上参数变化对重力热管流动和传热性能的影响，为优化重力热管设计参数和提高重力热管的换热性能提供了理论依据。

3.2 案例数值模拟方法的比较及总结
针对上面案例中用到的几类不同的数值模拟方法，下文从重力热管数值模拟中的重力热管构建、物理模型的假设条件、网格划分、
算法等方面进行深入比较和总结。

3.2.1 重力热管构建
在搭建重力热管时，都采用了合理的假设，将热管分成了三个部分，而两者的不同点在于，基于vof模型的案例，将热管分为了蒸发段、隔热段和冷凝段，然而基于simple算法的案例将重力热管分为了蒸汽区、液膜区和固体壁区三个区域，在构建重力热管时不同的区域划分，通常是由研究侧重点决定的，在研究热管中的热量传递时，往往采用第一种方法；而在研究热管中的管壁温度分布时，往往采用第二种方法。

3.2.2 物理模型的假设条件
在重力热管的物理模型建立时，由于真实热管运作时内部流动和传热十分复杂，所以必须进行一些合理的理想化假设，才能方便的构建出热管的物理模型，通常对于不同的数值模拟假设条件有这些：
(1)热管处在稳态工作状态，管内流体为稳态流动；
(2)热物理常数不随温度变化而变化；
(3)蒸发段和冷凝段外表面为等热流密度边界条件、热管两端面为绝热面；
(4)汽、液两相为饱和流体且为连续流动，充液率适当，无液池存在或存在一个高度较小的液池；
(5)汽液流体流动为层流流动，而且蒸汽为亚音速流动；
(6)流动与传热问题为二维轴对称问题，即蒸气流速和压力及液
体流速和压力仅是轴向位置的函数。

3.2.3 网格划分
在案例一的vof模型中，靠着管壁建立2-d几何网格为模拟重力热管内的对流、传热和传质，gambit软件的边界层技术被用来在热管壁区域创建网格。

其优势是设计简单而不足之处在于对于复杂的空间结构模拟上有不完善。

而在案例二中采用了交错网格，将不同的变量φ采用不同的网格，其优点是能够对很多个单元进行细致的划分和模拟，相对的设计上就要显得繁琐。

下面对fluent中网格的设置做一些总结：
（1）网格选择：fluent 在二维问题中可以使用由三角形、四边形或混合单元组成的网格，在三维问题中可以使用四面体，六面体，金字塔形以及楔形单元，或者两种单元的混合；
（2）网格节点密度和聚集度：由于平均流动和湍流的强烈作用，湍流的数值计算结果往往比层流更容易受到网格的影响。

在近壁面区域，不同的近壁面模型需要不同的网格分辨率；
（3）网格单元形状：单元的形状（包括单元的歪斜和比率）明显的影响了数值解的精度。

四边形网格最好的单元就是顶角为90度，三角形网格最好的单元就是顶角为60度。

对于各向异性流动，过渡的比率可以用较少的单元产生较为精确的结果。

但是一般说来应该尽量避免比率大于5:1。