矩形窄通道内流动沸腾特性及CHF点的实验与数值模拟

发布时间：2017-09-13 06:33

  本文关键词：矩形窄通道内流动沸腾特性及CHF点的实验与数值模拟

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【摘要】：近年来,随着微机电系统及微加工技术应用的不断拓展,设备呈现出紧凑化、模块化的发展趋势。高度的集成化使得设备运行时热流密度增大,如何实现设备高热流密度下有效冷却,使其保持在允许的温度范围便成为研究的关键。微细通道内的流动沸腾换热能够很好的解决这一问题,但目前对于微尺度下流动沸腾机理研究尚不明确。因此,本课题采用实验研究和数值模拟的方法对矩形窄通道内流动沸腾及CHF点特性进行研究,为微冷却通道的设计和优化提供理论依据,具有重要实践意义。本文首先建立了一套适用于矩形窄通道内流动沸腾特性研究的实验系统,并介绍了实验系统组成、实验仪器设备、实验参数测量、实验数据处理及实验不确定度分析,结合实验结果拟合出了矩形通道流动沸腾传热关联式。其次,本文运用Fluent软件对矩形窄通道内流动沸腾特性进行了数值模拟。模拟采用VOF多相流模型,引入变物性特性及表面张力模型,并结合UDF实现相变过程。通过对模拟结果的分析:(1)得到了矩形通道内流型分布特征,绘制出多种坐标形式下的流型图,并研究了热流密度、质量流速、饱和温度、含汽率对流型变化的影响(2)结合相分布图研究气泡生长特性,对气泡生长历程作了总结。(3)得到热流密度、质量流速、饱和温度、通道尺寸、含汽率对传热系数的影响,将传热机理分为核态沸腾及强制对流传热,并根据传热机理的不同将流动沸腾过程分为四个区域。(4)总结了热流密度、质量流速及通道尺寸对压力降的影响,并与实验结果对比证明结果可靠性。最后,本文对矩形窄通道内流动沸腾CHF点进行了数值计算,着重介绍了模拟过程中CHF点的确定方法,对CHF点的影响因素进行分析。研究表明:CHF随着质量流速增加而增加,随着/eL D增大而不断减小;入口过冷度对于CHF的影响可忽略;在相同通道尺寸及入口条件下,上升流的CHF比下降流略大。随着压力增大,CHF减小,但通道过窄时随压力增大可能出现先增大后减小的趋势。
【关键词】：矩形窄通道 流动沸腾 实验研究 数值模拟 流型
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 主要符号表11-13
• 第一章 绪论13-26
• 1.1 背景和意义13-14
• 1.2 通道尺度划分14-16
• 1.3 流动沸腾传热16-17
• 1.4 研究现状17-24
• 1.4.1 传热特性研究17-18
• 1.4.2 压力降研究18-19
• 1.4.3 流型研究19-22
• 1.4.4 汽泡行为研究22
• 1.4.5 CHF点的研究22-23
• 1.4.6 模拟研究23-24
• 1.5 小结24-26
• 第二章 实验研究26-36
• 2.1 实验系统26-29
• 2.1.1 实验回路26-27
• 2.1.2 测量与辅助设备27-28
• 2.1.3 试验段设计28-29
• 2.2 实验步骤29-30
• 2.3 实验数据处理30-31
• 2.3.1 热效率计算30
• 2.3.2 热流密度计算30-31
• 2.3.3 含汽率计算31
• 2.3.4 壁面温度计算31
• 2.3.5 传热系数计算31
• 2.4 实验不确定度分析31-33
• 2.4.1 直接测量不确定度32
• 2.4.2 间接测量不确定度32-33
• 2.5 实验工况33
• 2.6 传热关联式推导33-36
• 第三章 数值方程及模型36-42
• 3.1 计算流体力学简介36-37
• 3.2 FLUENT适用性验证37
• 3.3 控制方程及离散37-39
• 3.3.1 控制方程37-38
• 3.3.2 控制方程的的离散38-39
• 3.3.3 离散格式的选择39
• 3.3.4 N-S方程压力修正39
• 3.4 多相流模型39-40
• 3.4.1 VOF模型40
• 3.4.2 Mixture模型40
• 3.4.3 欧拉模型40
• 3.5 湍流模型40-41
• 3.5.1 模型介绍40-41
• 3.5.2 近壁面处理41
• 3.6 小结41-42
• 第四章 模拟结果与分析42-65
• 4.1 CFD数值模拟方法及结果验证42-47
• 4.1.1 几何模型的建立42
• 4.1.2 网格划分及独立性验证42-44
• 4.1.3 控制方程44-45
• 4.1.4 变物性设置45
• 4.1.5 表面张力设置45
• 4.1.6 UDF设置45-46
• 4.1.7 初始及边界条件设定46
• 4.1.8 Fluent求解设置46-47
• 4.1.9 模型可行性验证47
• 4.2 流型分布图及影响因素47-51
• 4.2.1 流型分类47-48
• 4.2.2 流型变化及分布图48-51
• 4.3 矩形窄通道内的汽泡生长规律51-52
• 4.3.1 小汽泡生长阶段51
• 4.3.2 大汽泡融合阶段51-52
• 4.4 传热机理的研究52-60
• 4.4.1 饱和温度对于传热系数的影响52-54
• 4.4.2 质量流速对于传热系数的影响54-56
• 4.4.3 热流密度对传热系数的影响56-57
• 4.4.4 通道尺寸对传热系数的影响57
• 4.4.5 传热机理总结57-60
• 4.5 流动沸腾压力降研究60-64
• 4.5.1 流型对压力影响机理61-63
• 4.5.2 压力降的影响因素63-64
• 4.6 小结64-65
• 第五章 CHF点的数值模拟65-71
• 5.1 研究对象及工况65
• 5.2 CHF点的确定65-66
• 5.3 模拟可行性验证66-67
• 5.4 CHF点影响因素分析67-70
• 5.4.1 质量流速影响67-68
• 5.4.2 压力影响68
• 5.4.3 通道尺寸影响68-69
• 5.4.4 入口过冷度影响69
• 5.4.5 流向影响69-70
• 5.5 小结70-71
• 第六章 结论和展望71-73
• 6.1 研究结论71-72
• 6.2 研究不足与展望72-73
• 参考文献73-78
• 致谢78-79
• 在学期间发表的学术论文及科研成果79

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