R30在矩形微通道内沸腾换热数值模拟

R30在矩形微通道内沸腾换热数值模拟

罗新奎;王小军;罗云;杨祺;冯天佑;李勇;范超

【摘要】利用FLUENT软件,采用VOF两相流模型对制冷剂R30在横截面为0.5 mm×0.5 mm、长为500 mm矩形微通道内的沸腾换热进行了数值模拟.以制冷剂入口温度、压力和质量流率作为变量,得出了典型流型、壁面平均温度、换热系数、截面含气率等参数的变化规律.结果表明,提高制冷剂入口温度和压力有利于增强

R30在微通道内的沸腾换热,换热系数随着质量流率的增大而增大,随着截面含气率的增大而减小.%Boiling heat transfer of R30 refrigerant in a rectangle microchannel with the diameter of 0.5 mm×0.5 mm and the length of 500 mm is numerically simulated with FLUENT software using VOF two-phrase flow model. The inlet working condition of refrigerant and mass flow rate are chosen as variables. The law of typical flow regimes,average wall temperature,heat transfer coefficient and void fraction are obtained. The simulation result shows that it is useful to en-hance the boiling heat transfer of R30 in micro-channel by increasing the inlet temperature and pressure of the refrigerant. Heat transfer coefficient is increased with the increasing of flow rate and decreased with the increasing of void fraction.【期刊名称】《真空与低温》

【年(卷),期】2017(023)002

【总页数】4页(P120-123)

【关键词】微通道;沸腾换热;数值模拟

【作者】罗新奎;王小军;罗云;杨祺;冯天佑;李勇;范超

【作者单位】兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000【正文语种】中文

随着现代高新技术的快速发展，微尺度空间内的流动与换热已成为传热学的一个重要研究方向[1]。相较于常规尺度，细微通道内的沸腾换热具有三个特点：（1）充分利用液体相变潜热，制冷剂用量少，散热量大；（2）微通道换热器体积小、重量轻、便于安装；（3）适用范围广，可靠性高。目前，微通道沸腾换热技术已经广泛应用于材料加工、核电站堆芯冷却、火箭引擎冷却等领域[2-4]。

利用FLUENT软件，采用VOF两相流模型，对制冷剂R30在矩形微通道内的沸

腾换热过程进行了数值模拟，分别就制冷剂入口为40℃、102.21 kPa和60℃、198.34 kPa时不同质量流率的影响进行了研究。得出了典型流型、壁面平均温度、换热系数等参数随时间的变化规律，分析了截面含气率的影响，为高热流密度下微通道换热器的设计提供参考。

选取了横截面为0.5 mm×0.5 mm，长为500 mm的矩形微通道，利用Gambit

软件进行建模和网格划分，由于结构具有对称性，因此将模型简化为二维，如图1所示。为了提高计算精度，对通道壁面进行了网格加密处理，对所有计算均进行了网格无关性验证，保证结果为网格无关解。

VOF模型是一种在固定的欧拉网格下追踪各相交界面的方法，适用于模拟一种或

多种互不相融流体间的交界面，例如分层流、自由面流动、晃动等。VOF模型中不同的流体组分共用一套动量方程，计算时在全流场的每个计算单元内都记录下各相流体的体积分数。VOF模型的控制方程如式（1）～（5）：

质量守恒方程：

式中：αL、αV分别为液、气相的体积分数；ρL、ρV分别为液、气相的密度；mVL、mLV分别为液、气相间的质量传递；分别为液、气相的速度；分别为液、气相的质量分数源项。

动量守恒方程：

式中：ρ、v→分别为两相混合的密度、速度；F→为体积力；μ为黏性系数。ρ由式（4）确定：

能量守恒方程：

入口边界条件选择速度入口（Velocity-Inlet），出口为Outflow，上、下壁面用恒定热流（Constant Heat Flux）加热。为加快收敛，选择压力隐式算子分割算法（PISO），压力离散选取PRESTO格式，动量、能量及湍流方程均采用二阶迎风格式（Second Or⁃der Upwind），时间步长取1e-05 s，每个时间步长内最大迭代步数为30步。

R30的标准沸点约为40℃，因此先取40℃、102.21 kPa时的饱和状态参数进行数值模拟，再将制冷剂入口温度提高到60℃、198.34 kPa进行模拟，分析二者的差异。此外，研究质量流率对R30在微通道内沸腾换热的影响。模拟工况如表1所列。

4.1 不同工作状况下的典型流型

如图2所示，制冷剂入口为40℃、102.21 kPa时，不同质量流率下R30在通道内沿程流型的变化情况基本相同，均依次出现了泡状流、受限泡状流、扰动流和雾状流，且前三种流型出现的时间与对应的通道长度都较短，雾状流为稳定流型。可