液氢温区脉动热管流动和传热特性数值模拟
发布时间：2021-12-12 04:38
脉动热管是一种高效的传热元件,具有传热温差小,传热效率高,结构简单,适应性强等优点。在低温领域,脉动热管可应用于制冷机冷量传输、低温超导、航空航天等方向。目前,低温脉动热管内工质的气液流动及其传热机理仍未能得到充分揭示,由于低温脉动热管的可视化实验开展难度较大,因此理论分析及模拟研究将有助于理解低温条件下脉动热管的传热特性。本文综合脉动热管中流动与传热的相互耦合作用,传热传质中的气液界面变化,针对液氢温区单环路脉动热管建立了二维非稳态数值模型。在本文中,VOF（Volume of Fluid）方法和CSF（Continuum Surface Force）方法分别被用于追踪气液相界面和模拟表面张力,恒热流密度和恒温分别作为脉动热管启动后蒸发段和冷凝段的边界条件,重点开展了以下三方面的工作:（1）分析了固定充液率条件下（80%）脉动热管在不同阶段的流动及传热特性,得到了脉动热管启动阶段气泡的产生、气塞的膨胀、缩小等行为以及管内工质的流型变化。研究结果表明,重力在初始阶段起到了十分重要的作用,蒸发段与冷凝段之间的压差为脉动热管的启动提供了基础,启动特征与管内的压力变化有关,在80%充液率时工...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Akachi设计的脉动热管示意图
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-5-(a)闭式PHP(b)带单向阀的闭式PHP(c)开式PHP图1-2脉动热管的三种典型结构示意图Figure1-2TypicaldiagramofPHP图1-2(a)为一个典型的闭式脉动热管结构示意图。由于脉动热管管径很小，在初始时，向管内充注饱和状态的工质，在重力和表面上张力的作用下，脉动热管内部会形成随机的气塞和液塞，如图1-2所示。液塞与壁面间的剪切力远大于气塞与壁面间的剪切力，并且在表面张力作用下，气液相界面并不是平坦的而是弯曲的，导致气塞和液塞之间在交界面处存在一个压差，这个压差控制着气液相交界面的位置，并且也决定着界面两端的流体是否会发生相变。同时，在脉动热管内存在大量的气塞和液塞，导致了这种压力分布不均的情况普遍存在。当蒸发段被加热后，液塞在蒸发段吸热，内部发生核态沸腾，产生气泡，导致压力增大，另一方面，由于冷凝段温度低于饱和温度，位于冷凝段的气塞会冷凝为液体，破坏了脉动热管内初始的压力平衡，液塞间不平衡的压力为脉动热管中流体的运动提供了驱动力。在脉动热管内的流动有两种主要形式：振荡流动和脉动流动。流动状态与加热功率有关，在加热功率较低时，通常为振荡流动，而当加热功率较高时，脉动热管内的流动变为脉动流动[14]。不论是振荡流动还是脉动流动，它的流动速度较快，导致在蒸发段和冷凝段，气塞和液塞变化的频率较高。正是这种高频率的气液两相流动使脉动热管具有很大的换热能力。由于结构的原因，脉动热管基本不受形状的限制，另外，它还具有以下几个方面的优点：(1)结构简单，很容易实现脉动热管体积的小型化，为集成生产提供了基矗(2)热导率高，液塞振荡使脉动热管具有很强的换热能力。
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-6-(3)无需驱动设备，不需要借助外界条件才能运行，属于被动传热元件。(4)文献[15]表明，当脉动热管的弯头数大于一定值时，可以实现重力无关性。由于脉动热管在结构和传热方面的突出优势，一经提出就被认为是一种理想的传热元件，在电子器件冷却[16-18]、热管理[19]、航空航天[20]和余热回收[21-23]等方面展示了巨大的发展潜力。然而，因其内部流动的不稳定性和流动传热相互耦合作用使脉动热管工业化生产受到限制。因此，针对脉动热管的流动与传热机理，在过去二十几年期间，许多学者们开展了各种各样的研究调查。1.2脉动热管运行机理研究现状针对脉动热管的研究主要集中在传热性能及其影响因素和运行机理两方面，由于其内部气液两相间的流动和传热相互耦合、相互影响，这导致脉动热管的研究影响因素很多，影响因素可以分为三类[24]：1.几何参数如：管径、截面形状等；2.运行参数如：充液率和加热功率等；3工质：常规工质与非常规工质等，如图1-3所示[25]。图1-3脉动热管的主要研究方向Figure1-3MainresearchaspectsofPHP大部分研究[26]集中于传热性能及影响因素等实验方面的分析，对脉动热管流动与运行机理的解释相对较少。流动与运行机理的研究可以分为两个方面：一是通过搭建可视化实验台，观察脉动热管内部工质的流型变化；二是建立理论模型，深入探索脉动热管的运行机理及各个参数的影响。为了深入研究脉动热管的运行机理，本文就脉动热管的运行机理研究现状进行了文献调研。
【参考文献】：
期刊论文
[1]变管径单回路脉动热管传热特性数值研究[J]. 王迅,刘梦阳,王盼,胡启帆. 化学工程. 2018(09)
[2]脉动热管可视化实验研究进展[J]. 孙潇,韩东阳,焦波,甘智华. 化工进展. 2018(08)
[3]渐变式截面平板脉动热管的数值模拟及分析[J]. 王迅,王盼,刘梦阳,胡启帆. 化学工程. 2018(07)
[4]水平蒸发与冷凝结构脉动热管的热力性能[J]. 汪健生,白雪玉. 化学工程. 2018(06)
[5]EAST超导磁体实验与工程调试[J]. 李童,马光辉,武玉,钱静. 自然杂志. 2018(02)
[6]低温脉动热管传热特性的数值模拟研究[J]. 邵帅,陈曦,唐恺,李宜轩. 真空与低温. 2018(01)
[7]液氮温区脉动热管流动及传热特性研究[J]. 马文统,陈曦,唐恺. 真空与低温. 2017(02)
[8]单环路平板脉动热管定向循环的数值研究[J]. 胡伟男,周春鹏,崔付龙,洪芳军. 低温与超导. 2017(02)
[9]中低温脉动热管传热性能的模拟研究[J]. 马文统,陈曦,曹广亮,武飞. 真空与低温. 2016(05)
[10]蒸发/冷凝段长度比对脉动热管性能的影响[J]. 汪健生,马赫. 化工进展. 2015(11)
硕士论文
[1]脉动热管启动和稳定运行的数值模拟研究[D]. 李月月.天津大学 2017
[2]脉动热管传热特性实验研究[D]. 李燕.北京交通大学 2008
本文编号：3536018
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Akachi设计的脉动热管示意图
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-5-(a)闭式PHP(b)带单向阀的闭式PHP(c)开式PHP图1-2脉动热管的三种典型结构示意图Figure1-2TypicaldiagramofPHP图1-2(a)为一个典型的闭式脉动热管结构示意图。由于脉动热管管径很小，在初始时，向管内充注饱和状态的工质，在重力和表面上张力的作用下，脉动热管内部会形成随机的气塞和液塞，如图1-2所示。液塞与壁面间的剪切力远大于气塞与壁面间的剪切力，并且在表面张力作用下，气液相界面并不是平坦的而是弯曲的，导致气塞和液塞之间在交界面处存在一个压差，这个压差控制着气液相交界面的位置，并且也决定着界面两端的流体是否会发生相变。同时，在脉动热管内存在大量的气塞和液塞，导致了这种压力分布不均的情况普遍存在。当蒸发段被加热后，液塞在蒸发段吸热，内部发生核态沸腾，产生气泡，导致压力增大，另一方面，由于冷凝段温度低于饱和温度，位于冷凝段的气塞会冷凝为液体，破坏了脉动热管内初始的压力平衡，液塞间不平衡的压力为脉动热管中流体的运动提供了驱动力。在脉动热管内的流动有两种主要形式：振荡流动和脉动流动。流动状态与加热功率有关，在加热功率较低时，通常为振荡流动，而当加热功率较高时，脉动热管内的流动变为脉动流动[14]。不论是振荡流动还是脉动流动，它的流动速度较快，导致在蒸发段和冷凝段，气塞和液塞变化的频率较高。正是这种高频率的气液两相流动使脉动热管具有很大的换热能力。由于结构的原因，脉动热管基本不受形状的限制，另外，它还具有以下几个方面的优点：(1)结构简单，很容易实现脉动热管体积的小型化，为集成生产提供了基矗(2)热导率高，液塞振荡使脉动热管具有很强的换热能力。
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-6-(3)无需驱动设备，不需要借助外界条件才能运行，属于被动传热元件。(4)文献[15]表明，当脉动热管的弯头数大于一定值时，可以实现重力无关性。由于脉动热管在结构和传热方面的突出优势，一经提出就被认为是一种理想的传热元件，在电子器件冷却[16-18]、热管理[19]、航空航天[20]和余热回收[21-23]等方面展示了巨大的发展潜力。然而，因其内部流动的不稳定性和流动传热相互耦合作用使脉动热管工业化生产受到限制。因此，针对脉动热管的流动与传热机理，在过去二十几年期间，许多学者们开展了各种各样的研究调查。1.2脉动热管运行机理研究现状针对脉动热管的研究主要集中在传热性能及其影响因素和运行机理两方面，由于其内部气液两相间的流动和传热相互耦合、相互影响，这导致脉动热管的研究影响因素很多，影响因素可以分为三类[24]：1.几何参数如：管径、截面形状等；2.运行参数如：充液率和加热功率等；3工质：常规工质与非常规工质等，如图1-3所示[25]。图1-3脉动热管的主要研究方向Figure1-3MainresearchaspectsofPHP大部分研究[26]集中于传热性能及影响因素等实验方面的分析，对脉动热管流动与运行机理的解释相对较少。流动与运行机理的研究可以分为两个方面：一是通过搭建可视化实验台，观察脉动热管内部工质的流型变化；二是建立理论模型，深入探索脉动热管的运行机理及各个参数的影响。为了深入研究脉动热管的运行机理，本文就脉动热管的运行机理研究现状进行了文献调研。
【参考文献】：
期刊论文
[1]变管径单回路脉动热管传热特性数值研究[J]. 王迅,刘梦阳,王盼,胡启帆. 化学工程. 2018(09)
[2]脉动热管可视化实验研究进展[J]. 孙潇,韩东阳,焦波,甘智华. 化工进展. 2018(08)
[3]渐变式截面平板脉动热管的数值模拟及分析[J]. 王迅,王盼,刘梦阳,胡启帆. 化学工程. 2018(07)
[4]水平蒸发与冷凝结构脉动热管的热力性能[J]. 汪健生,白雪玉. 化学工程. 2018(06)
[5]EAST超导磁体实验与工程调试[J]. 李童,马光辉,武玉,钱静. 自然杂志. 2018(02)
[6]低温脉动热管传热特性的数值模拟研究[J]. 邵帅,陈曦,唐恺,李宜轩. 真空与低温. 2018(01)
[7]液氮温区脉动热管流动及传热特性研究[J]. 马文统,陈曦,唐恺. 真空与低温. 2017(02)
[8]单环路平板脉动热管定向循环的数值研究[J]. 胡伟男,周春鹏,崔付龙,洪芳军. 低温与超导. 2017(02)
[9]中低温脉动热管传热性能的模拟研究[J]. 马文统,陈曦,曹广亮,武飞. 真空与低温. 2016(05)
[10]蒸发/冷凝段长度比对脉动热管性能的影响[J]. 汪健生,马赫. 化工进展. 2015(11)
硕士论文
[1]脉动热管启动和稳定运行的数值模拟研究[D]. 李月月.天津大学 2017
[2]脉动热管传热特性实验研究[D]. 李燕.北京交通大学 2008
本文编号：3536018
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