填充泡沫金属小通道内沸腾传热及气泡动力学数值模拟

发布时间：2020-08-23 20:56

【摘要】：随着现代科技的快速发展、工艺制造水平的提高和生产的实际需要,人类认识的焦点已经从宏观尺寸过渡到介观、微观层面。泡沫金属因其特有的多孔介质骨架结构,具有高空隙率、高导热系数等特点。目前泡沫金属强化沸腾换热研究主要集中在池沸腾以及小尺度通道沸腾换热的实验观测,通过实验数据、高速摄像仪拍摄,获得理论计算公式及气泡运动行为。然而,由于泡沫金属的结构复杂,填充泡沫金属小管道内气液相变强化换热机理以及管内气泡动力学行为研究尚不明晰。本论文以现有泡沫金属强化沸腾换热研究为基础,结合泡沫金属孔隙结构特点,分析填充泡沫金属小通道沸腾换热机理,研究并统计沸腾过程产生的气泡动力学行为,指出管内涡流、湍动能同传热性能之间的关系。具体研究内容包括:(1)建立了填充泡沫金属小通道数值模型。应用正十四面体单元晶格叠加排列获得泡沫金属结构,取中央二维截面进行模拟计算,并对模型进行网格无关性验证。结合实验验证,该模型的沸腾换热系数与实验结果具有较好的一致性,误差控制在±20%以内。(2)运用Fluent软件对常规空管与填充泡沫金属小通道内R141b气液两相流流动沸腾过程进行数值模拟。利用CLSVOF(Couple Level-Set and Volume of Fluid)多相流模型,结合Lee相变模型编制自定义函数(UDF)模拟传热传质过程。模拟壁面加热温度范围为350K-450K,流体速度为0.01m/s-0.10m/s。(3)观察不同条件、不同时间下两种不同管道内的沸腾换热现象,统计不同时刻下的气泡数量及气泡平均面积,分析气泡动力学、涡流与湍动能对强化传热的影响。研究结果表明,常规空管内气泡运动范围广,产生面积大、数量小的涡流;而泡沫金属孔隙间气泡运动范围变窄,分布集中,产生面积小、数量多的涡流,增加流体混合频率,加强冷热流体间热交换,因此能加大管内换热系数。随着温度的升高,填充泡沫金属管道内气泡数量逐渐增多,而常规空管内气泡数量先增加后减少;随着速度的增大,填充泡沫金属管道内气泡数量逐渐增多,常规空管内气泡数量先增多后变化趋势不明显。填充泡沫金属小通道内换热系数与气泡平均面积呈反比,与气泡数量呈正比。依据湍动能随时间的变化是衡量涡流生长或衰弱的指标,本文比较了湍动能随时间变化的一阶微分k’与换热系数之间的关系,发现k’曲线与填充泡沫金属通道的换热系数协同变化,可以用以预测填充泡沫金属通道的换热系数的变化趋势。
【学位授予单位】：东北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124
【图文】：

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泡沫金属是由金属基体骨架连续相和气孔分散相或连续相组合形成的复合材料，由巨大的比表面积、内部复杂的三维流动，使泡沫金属材料具有很好的传热性能。根据的连通状态，可以分为开孔泡沫金属和闭孔泡沫金属，如图 2-1 所示。开孔泡沫金属孔隙之间相互连通，流体可从孔隙中渗透流动；而闭孔泡沫金属孔隙之间互不连通，无法通过。

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几何体交织模型包含水平骨架模型、交叉骨架模型等。如图 2-2 a）所排列构建的泡沫金属结构，用以模拟流体在其中的移动过程；如图 2-2 b由 H 型骨架和 V 型骨架交叉构建及 H 型骨架和 O 型骨架组合构建的的；在此基础上学者们还提出 H 型、V 型、O 型骨架构建的泡沫金属骨架这些模型可以有效反应泡沫金属颗粒分布、渗透率、孔隙形状等特点单理想化，与实际存在较大偏差，模拟出来的结果价值有限。a）水平骨架模型[69]b）H 型、V 型骨架交叉模型[23]

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东北电力大学工程硕士学位论文有效模拟填充泡沫金属通道的内部流场，如图 2-3 c）和 2-3 d）为两种不同结构的正面体。但由于在数值建模过程中，多采用正十四面体均匀排列模式，所以与实际泡沫还存在一定差异。a）Hu 正六面体模型[71]b）Alexis 正六面体模型[72]

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