（化工过程机械专业论文）高温热管换热器强化传热及结构优化模拟研究.pdf

南京工业土学博士学位论文 摘要 pj0苗盘口置譬5 南京工业土学博士学位论文 从图中可看出：在相同开孔率情况下，环隙越小，传热性能越好。但环隙小于3 s m m 时，传热性能反而下降。这说明：当环隙较大时，加热面上汽泡没有受到分流管的抑制作 用，使得大部分汽泡向上运动，从而起不到强化传热的效果。当环隙太小时，虽液膜减薄， 蒸发热阻减小，值冷凝液体的回流阻力增大，对传热不利。从以上绍果分析可得出结论， 最佳环隙在4 5 m m 左右。 ( 2 ) 开孔率对蒸发段传热系数的影响 开孔率是开孔间距和孔径的综合参数。在相同环隙下开孔率对传热系数影响对比曲线 如图3 ，1 2 中的( a ) 、( b ) 所示。 可以看出：在相同环隙下，开孔率越大，传热性能越好。而开孔率在3 时，其传热 性能远不如普通管。这说明；在相同环隙下，大开孔率一方面能使汽泡很容易穿过分流管 上的小孔进入分流管内，这时，环隙内的压力降低，回流液迅速返回补充液膜的蒸发。另 一方面，汽泡的脱离直径小、频率快，有利于传热。当开孑l 率减小时，汽泡不能及时脱离 环隙造成回流液阻塞，使传热效果下降。由试验结果可知，开孔率应大于3 3 。 静1 9 瓣 3 8 热虹吸管内部强化沸腾换热的准数方程 前面，我们通过理论分析得出了分流管强化沸腾换热准则关系式。 肌= ，( 帆妒气竹) ( 。一s ) 采用这个相关式，对3 3 0 个试验点进行多元线性最小二乘法回归分析得到分流管强化 一3 9 彻舢伽黜姗姗善薹龇砌珊瑚蛳舢伽姗 )i、uvt若募ji)甘兰竽号竽#o=售七。u|荨u 潞黜伽嚣嚣嚣裟|i骝 孽m|告口暑lj鑫qa兰苕喜00e iu等墨苎u 第? 幸疆化箍虹吸蕾警内砖蠡秣能的研究 沸腾换热的准数方程式： n u = 1 9 9 5 m ；妒“2 3 , o s p r o 0 0 9 ( 厂( 3 - - 1 9 ) 从复相关系数r = 0 9 6 可知，回归结果是很好的。但公式中p r 准数一项影响很小，计 算中可以忽略。 3 9 回归分析计算值与试验测量值之比较 回归分析计算值根据下方程( 3 2 0 ) 式计算： n u ：型 a 将式( 3 2 0 ) 代入式( 3 1 9 ) 得传热系数回归分析计算式： 以= 1 9 9 5 m p5 伊 ”( ) 。2 2 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 试验范围：帆= 2 1 0 。5 4 6 7 1 0 。9 = 0 4 2 0 4 6 气- 3 3 3 2 1 3 1 5 5 p ，= o 9 1 ，4 6 。数学模型计算值和回归分析计算值对试验值的平均误差 是1 0 8 9 ，分散度在1 9 的范围内。如图3 - 1 3 所示： e x p e r i m e n t a lv a l u eo f c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t w m 2 k 图3 1 3 理论计算值与试验测量值的比较 f i g 3 - 1 3c o m p a r i s o no f t h e o r e t i c a lv a h l ea n de x p e r i m e n t a lv a l u e 。目喜il。据 点cg甚ll g一8_目8奄2i暑一_l专 南京i 业大学博士学位论文 3 1 0 本章小结 本文通过对分流管强化热虹吸管蒸发段沸腾换热的理论分析，在微层蒸发的理论基础 上，建立分流管强化沸腾换热的物理模型和数学模型。并对七组不同结构的强化管在充液 率为4 5 5 5 的范围内作了大量的试验，获得3 3 0 组试验数据，并得出以下结论： ( 1 )合理地选择分流管结构尺寸，将其置于热虹吸管内，可以起到强化沸腾换热的效果。 因为，一方面，不仅能避免普通管由于大汽泡的不稳定产生而导致的爆沸、携带及由此而 引起的壁温波动。而且汽泡生成的过热度小，起动速度快；另一方面，这种强化传热元件 结构简单、加工方便，将为碳钢一水热虹吸管的进一步扩大温度的使用范围提供有利的手 段。 ( 2 )分流管结构尺寸对沸腾换热系数有很大的影响，在本试验范围内，最佳分流管开孔率 是3 3 ，最佳环隙在4 5 m m 左右： ( 3 ) 在最佳分流管结构条件下，强化管可以得出以下结论： 在相同传输功率下，壁温平均下降1 5 2 0 。c ，管内蒸汽温度平均下降1 5 3 0 。c 左右， 这一结果为拓宽热虹吸管的温度使用范围提供了理论依据； 强化管蒸发段换热系数也有明显提高，大约提高2 3 倍；在相同的过热度下，传输功 率也得到一定程度的提高，平均提高大约1 8 ； ( 4 )在微层蒸发的理论基础上建立了分流管强化传热准数方程式，通过试验值回归得： n u = 1 9 9 5 哪”5 妒0 4 7 9 t 0 “( 。j 从复相关系数r = 0 9 6 可知，回归结果是很好的。试验范围：m 。= 2 1 0 - 5 4 6 7 1 0 。 伊20 4 2 0 4 6气5 3 3 3 。= l 3 1 5 5 p ，= o 9 1 _ 4 6 。数学模型计算值和 回归分析计算值对试验值的平均误差是1 0 8 9 。 ( 5 ) 在蒸发微层的理论基础上建立强化管蒸发段沸腾换热数学模型，可以作为分析及计算 的依据。其数学模型计算值与试验值有较好的吻合，平均误差为1 2 8 9 3 。1 1 参考文献 1 m g r o l l a n d t h s p e n d e l t h e r m a lb e h a v i o ro f h i g hp e r f o r m a n c ec l o s e dt w o p h a s e t h e r m o s y p h o n 5 t hi h p c j a p a n ，1 9 8 4 2 张琳，庄骏碳钢一水热虹吸管内部强化传热研究 d ，南京：南京化工大学硕士 第? 幸强化萎虹吸管管内传萎性能曲研究 论文1 9 9 5 e 3 1b a 奥西波娃著传热学试验研究北京：高等教育出版社1 9 8 2 4 庄骏，徐通明，石寿春编著热管与热管换热器上海：上海交通大学出版社1 9 8 9 5 h c o h e na n df j b a y l e y h e a tt r a n s f e rp r o b l e mo fl i q u i dc o o l e dg a st u r b i n e b l a c l e s p m e n s tm e c h e n g ( l o n d o n ) 1 9 5 5 ( 1 6 9 ) ：1 0 6 3 1 0 8 0 ， 6 y l e ea n dv m i t a l at w o p h a s ec l o s e dt h e r m o s y p h o n i n t j h e a tm a s s t r a n s f e r 1 9 6 5 ( 1 5 ) 7 a i s h e l t s o v t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fo p t i m u mf i l l i n gf o r h e a t p i p e h e a tt r a n s f e r - s o v i e tr e s e a r c h 1 9 7 5 ( 7 ) ：2 3 - 2 7 8 g a s a v c h e n k o v e t l t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a l r e s e a c ho n l o w t e m p e r a t u r e t h c r m o s y p h o n a n dt h e r e a p p l i c a t i o n i n r e f r i g e r a t i o ne n g i n e e r i n g a i a a p a p e r 1 9 7 8 ( 8 ) ：4 6 2 9 3f e a n d r o sa n dl w f l o r s c h u c t z t h et w o p h a s ec l o s e dt h e r m o s y p h o n ：a n e x p e r i m e n t a ls t u d yw i t hf l o wv i s u a l i z a t i o n t w o - p h a s et r a n s f e ra n dr e a c t o rs a f e t y , 1 9 7 8 ，v 0 1 4 ：1 2 3 1 1 2 6 7 i o m k s h i r a l s h i ，k i i u e h ia n d t y a m a n i s h i i n v e s t i g a t i o n o fh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so f a t w o p h a s ec l o s e d t h e r m o s y p h o n 4 t hi h p c l o n d o n ，1 9 8 1 1 1 林瑞泰编沸腾换热北京：科学出版社1 9 8 8 1 2 伊藤猛宏。藤田恭伸，匹i ) i i 兼康核沸腾热传递。高性能传热面机械。研究 1 9 7 9 ，3 1 ( 1 ) ：7 7 3 4 5 1 6 1 7 1 8 童明伟，辛明道，陈远国采用抑泡孔管的沸腾换热重庆大学报1 9 8 4 ，n o 2 郭宽良编著计算传热学合肥：中国科学技术大学出版社1 9 8 8 s v 帕坦卡著，郭宽良译传热和流体流动的数值方法合肥：安徽科学出版 社1 9 8 4 p j r o a c h e c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s h e r m o s a p u b l i s h e r s 1 9 7 9 k h a r a d a ，s i n o u e ，j f u j i t a ，h s u e m a t s u ，y w 酞i y a m a h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s o f l a r g e h e a tp i p e ( i n j a p a n ) h i t a c h iz o s e nt e c h r e v 1 9 8 0 ( 4 1 ) w n a l 【a y a m a ，t d a i k o k ua n dt n a k a j i m a e f f e c t so fp o r ed i a m e t e r sa n d s y s t e mp r e s s u r e o ns a t u r a t e dp o o l n u c l e a t e b o i l i n gh e a tt r a n s f e rf r o mp o r o u s s u r f a c e a s m ej o u r n a lo f h e a t t r a n s f e r 1 9 8 2 ( 1 0 4 ) 一4 2 南童工业太学博士学佳论文 第4 章高温热管换热器强化传热数值模拟研究 前一章研究分析了热虹吸管内部强化传热有利于提高热虹吸管传热能力、改善其传热 性能、拓宽其工作温度使用范围。然而热管换热器管内外的温度场协调配合对高温热管 换热器传热强化亦起着十分重要的指导意义，也是探讨高温热管换热器结构优化非常重要 的一个方面。以往对换热器温度场的研究主要采用试验方法，这种研究方法虽然直观、真 实、可靠，但由于受到试验条件、试验模型、结构参数、测量精度、试验周期及费用等因 素影响，换热器性能完善和新型结构开发受到限制。随着计算机技术的提高以及计算流体 力学和数值传热学的蓬勃发展，数值模拟方法已成为换热器研究的重要手段【“2 1 。本章拟 采用数值模拟计算方法，重点研究高温熟管换热器中、低温过渡段局部强化传热及其管内 外温度场分布，从而达到强化高温热管换热器传热性能、安全衔接各温度区域热管换热器， 开拓了强化传热技术的思路，为高温热管换热器结构优化设计提供依据。 4 1 热管换热器数值模拟研究探索 近年来，数值模拟研究方法为经济和安全地设计、评价及改造换热器提供了一种强有 力的手段3 。p a r t a n k a ra n ds p l a n d i n g 4 卯、s h a 等人已为换热器数值模拟研究奠定了理 论基础。9 0 年代末，我国科技工作者对管壳换热器的数值模拟研究亦取得了很大的进展和 突破盯 93 。然而至今为止，对热管换热器数值模拟研究却未见报道。这其中的原因主要是 由于在热管换热器中，冷热流体问的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程 耦合在一起的，因而导致热管换热器的总体性能一方面取决于热管元件本身的性能，另一 方面又取决于管壳间流体流动和传热的特性，这两方面综合影响决定了热管换热器数值模 拟研究与管壳换热器相比具有相当大的难度。孙世梅、张红【1o 】首先通过大型c f d 计算软 件- - f l u e n t 对热管换热器内流体流动与传热进行了探讨。 4 1 1 热管换热器多孔介质传热模型 热管换热器中，热量通过热管或热虹吸管管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程从高温 流体传递到低温流体。因此，可以将热管换热器看作是由热管内工作介质相变传热耦合在 一起的两台独立的换热器1 ，如图4 - i 所示。由于热管换热器内充满大量的热管传热元件， 一方面使得流体在换热器中的流动空间减小，另一方面极大地阻碍了流体的流动，因此可 以引入多孔介质模型的概念，将热管换热器视为多孔介质，流体在换热器中的流动看成是 一4 3 摹4 幸走温热管换蠡器鞭化传蠡缸值挂拟唧宪 多孔介质内的流动。 图4 - 1 热管换热器传热模型 f i g 4 - 1h e a t t r a n s f e rm o d e l i n go f h e a tp i p eh e a te x c h a n g e r 根据d a r c y _ _ b r i c n k m a n - - f o r c h h e i m e r 多孔介质模型73 将模型作如下假设： ( 1 ) 将熟管元件组成的热管换热器空间视为一多孔介质，采用容积孔隙度口描述热管元 件的存在，容积孔隙度是流体所拥有的空间占总控制容积的比率： ( 2 ) 考虑热管元件的存在对流体流动的阻碍作用，采用分布阻力足的概念计算热管换热 器压降； ( 3 ) 假定热管换热器内的流动与传热是稳定的。 基于模型假设，两台换热器的控制方程可以统一表示为：冷热侧控制方程可以统一表 示为： 去( 肋妒) + 导( 励审) 4 - 昙( 励w ) = 昙( 历害 + 昙( 历考 + 鲁( 历警 + 品( 4 - - 1 ) 式中：卢为容积孔隙度：p 为流体密度；“、v 、w 分别为直角坐标系中x 、弘z 方 向的速度分量： p 为一般变量：f 为妒的扩散系数；& 为源项。守恒方程中鼽& 、f 见 表4 1 。 表4 - 1 直角坐标系中守恒方程的饥乱、f t a b l e 4 - 1 弘咒、f o f t h eg o v e r n i n g e q u a t i o ni nr e c t a n g u l a rc o o r d i n a t es y s t e m r 热流体侧矿 v h w h 一声r ? 一o - = ( p p ) 一多足? 一旦! 呈盟 一耻一掣 南京工业太学博士学位论文 h 6q h 驴 印“ 分布阻力： 根据d a r e y 定理，多孔介质中流动阻力可由下列公式计算n 扪： 曩= 等v l + 丢c 2 p m v ic 江靛 z ) ( 4 - - 2 ) 在热管换热器中，沿流体流动方向除了热管元件以外别无其它障碍物存在，因此，管 束的分布阻力可表示为： r 。= 2 g ，g m 。g p s 。( 4 - 3 ) r ，= 昙c 2 ，p v 2 ( 4 4 ) 也= 圭c ：( 4 - 5 ) 在热管换热器中，分布热源是指热管元件传递的热量，根据单根热管传热模型 1 剐推导 出单根热管的传热量为： g p = r - - a o ( 瓦一互)( 4 6 ) 击2 去 + ( 去十去 。+ 者 c 4 刊 q = z q 。 ( 4 8 则热管换热器冷热侧单位体积换热量分别为： 吼= 。 c 4 圳 第矿章高温盎管换盎器强化传盘矗值棋拟研霓 q c = ( 4 一1 0 ) 4 1 。2 数值计算方法 从学科的内容而言，计算传热学所研究的基本内容也就是传热学中的四大模块：热传 导、对流换熟、辐射换热及传热过程、复杂换热过程与各类换热设备的传热特性。近3 0 年来，为了对这些热传递过程进行数值模拟，已经发展出了多种数值方法。其中比较常用 和成熟的数值计算方法有： ( 1 ) 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 这是求偏微分方程数值解最古老的方法，对简单的几何形状中的流动与传热问题也 是种最容易实施的方法。其基本实施方法是，将求解区域用网格线的交点( 节点) 所组成 的点的集合来代替。在每个节点上，描写所研究的流动与传热问题的偏微分方程中的每一 个导数项用相应的差分表达式来代替，从而在每个节点上形成一个代数方程，其中包含了 本节点及其附近一些节点上的所求量的未知值。求解这些代数方程组就获得了所需的数值 解。在规则区域的结构化网格上，有限差分法是十分简便而有效的，而且很容易引入对流 项的高阶格式。其不足是离散方程的守恒特性难以保证，而最严重的缺点则是对不规则区 域的适应性差。 ( 2 ) 有限容积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 一 有限容积法从描写流动与传热问题的守恒型控制方程出发，对它在控制容积上作积 分，在积分过程中需要对界面上被求函数的本身( 对流通量) 及其一阶导数的( 扩散通量) 构成 方式作出假设，这就形成了不同的格式。由于扩散项多是采用相当于二阶精度的线性插值， 因而格式的区别主要表现在对流项上。用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性 ( 只要界面上的插值方法对位于界面两侧的控制容积是一样的即可) ，对区域形状的适应性 也比有限差分法要好，是目前应用最普遍的一种数值方法。 ( 3 ) 有限元法( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 有限元法中把计算区域划分成一组离散的容积或者叫元体，然后通过对控制方程作积 分来得出离散方程。它与有限容积法的主要区别在于：( 1 ) 对每个元体要选定一个形状函数 ( 最简单的为线性函数) ，通过元体中节点上的被求变量之值来表示该形状函数，并在积分 之前把所假设的形状函数代入到控制方程中去；( 2 ) 控制方程在积分之前应乘上一个选定的 权函数，并要求在整个区域上控制方程余量的加权平均值为零，从而导出一组关于节点上 被求变量的代数方程。有限元法的最大优点是，对不规则几何区域的适应性好。有限元法 一4 6 南京工土大学博士学位论文 在对流项的离散处理及不可压缩n a v i e r - - s t o k e s 方程的原始变量法求解方面不如有限容积 法发展成熟。但随着有限容积法中非结构化网格的应用，有限容积法与有限元法之间的差 别正在缩小之中。 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有流动 理论的商用c f d 软件。该软件是计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 软件的简 称，是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过c f d 软件，可以分析并 且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种参数，达 到最佳设计效果。c f d 的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提 供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好 的指导作用。其中以有限容积法进行数值模拟的软件很多，其中最著名的有p h o e n i c s ， f l u e n t ，c f x 等。 ( 1 ) p h o e n i c s 软件 这是世界上第一个投放市场的c f d 商用软件，可以算是c f d 商用软件的鼻祖。这一 软件中可选择一阶迎风、混合格式及q u i c k 等，压力与速度耦合采用s i m p l e s t 算法， 对两相流纳入了i p s a 算法( 适用于两种介质互相穿透时) 及p s i - _ c e u 算法( 粒子跟踪法) ， 代数方程组可以采用整场求解或点迭代、块迭代方法，同时纳入了块修正以加速收敛。由 于该软件投放市场较早，因而曾经在工业界得到较广泛的应用。近年来，p h o e n i c s 软件 在功能与方法方面作了较大的改进，包括纳入了拼片式多块网格及细网格嵌入技术，同位 网格及非结构化网格技术；在湍流模型方面开发了通用的零方程模型、低r e y n o l d s k 一模 型、r n g k s 模型等。 f 2 ) c f x 软件 该软件的前身采用有限容积法、拼片式块结构化网格，在非正的离散格式包括一阶迎 风、混合格式，q u i c k 、c o n d i f 、m u s c l 及高阶迎风格式。压力与速度的耦合关系采 用s i m p l e 系列算法( s i m p l e c ) ，代数方程求解的方法中包括线迭代、代数多重网格、 i c c g 、s t o n e 强隐方法及块隐式0 3 n v t ) 方法等。湍流模型中纳入了k 一占模型、低 r e y n o l d s k 一占模型、r n g ( 重整化群) k 一占模型、代数应力模型及微分r e y n o l d s 应力模型。 可计算的物理问题包括不可压缩及可压缩流动、耦合传热问题、多相流、粒子输运过程、 化学反应、气体燃烧、热辐射等，同时还能处理滑移网格( s l i d i n g g f i a ) ，可用来计算透平机 械中叶片间的流场。有很强的网格生成及后处理功能。 ( 3 1f l u e n t 软件 4 7 弟f 章走沮矗蕾挟热器鞭化传矗矗值模拟竹究 这一软件是继p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限容积法的软件。它 包含有结构化及非结构化网格两个版本。在结构化网格版2 j s ：( f l u e n t ) 中有适体坐标的前 处理软件，同时也可以纳入p a t r a n ，a n s y s ，i d e a s 及i c e m c f d 等专门生成网格 的软件。速度与压力耦合采用同位网格上的$ i m p l e c 算法。对流项差分格式纳入了一阶 迎风、中心差分及q u i c k 等格式。代数方程求解可以采用多重网格及最小残差法 f g m r e s ) 。湍流模型有标准k 一占模型、r n g k s 模型及r e y n o l d s 应力模型( r s m ) ，在辐 射换热计算方面纳入了射线跟踪法( r a y t r a c i n g ) 。可以计算的物理问题类型有：定常与非定 常流动，不可压缩与可压缩流动，含有粒子液滴的蒸发、燃烧的过程，多组份介质的化 学反应过程等。在其非结构化网格的版本( f l u e n t u n s ) 中采用控制容积有限元方法 ( c v f e m ) ，在该方法中采用类似于控制容积方法来离散方程，因而可以保证数值计算结果 的守恒特性，同时采用了非结构网格上的多重网格方法求解代数方程。1 9 9 8 年f l u e n t 公司推出了自己研制的新的前处理网格生成软件g a m b i t ，并且将f l u e n t u n s 与 r a m p a n t 合并为f l u e n t 5 。 在以上的物种软件中，各种软件都有一定的优点及其特别适宜的范围。在本探索中采 用c f d 大型计算软件- - f l u e n t 软件模拟研究了热管换热器内的传热的特性。 4 1 3 计算事例 ( 1 ) 模型结构尺寸与设计参数( 见表4 2 ) 一 用数值计算方法研究热管换热器内换热情况必须建立符合实际气体运行和传热的几 何模型，图4 2 与图( 4 3 ) 为用f l u e n t 软件的前处理器g a m b i t 所作的几何模型，尺 寸结构参数与设计参数如表4 2 表4 - 2 结构参数与设计参数 结构参数设计参数 管子尺寸m m , , 3 8 热侧翅片间距m m 4 热流体侧冷流体侧 蒸发段长度n l r n3 9 0 冷侧翅片间距t r i m3 8进口温度3 0 0 进口温度2 7 冷凝段长度m l i t2 7 0 迎风面管间距m i t t6 6出口温度1 0 0 出口温度2 0 0 翅片高度m m1 2热管排列方式4 ，3 流量( 标况) m 3 h5 8 5 流鬻( 标况) m 3 h4 8 4 翅片厚度i n t o 2纵向长度m2 3 1 0 南棠工业土学博士学位论文 图4 2 热流体侧几何模型 f i g 4 - 2g e o m e t r ym o d e lo f h o tf l o ws i d e 图舢3 冷流体侧几何模型 f i g 4 - 3g e o m e t r ym o d e l o f c o l df l o ws i d e ( 2 ) 边界条件和初始条件 进口：给定热管换热器冷热流体进口温度、压力和质量流量。出口：出口速度、压力 和温度由质量守恒确定。壳体壁面：采用不可渗透、无滑移和绝热条件。 ( 3 ) 模拟计算结果分析 图4 4 、4 - 5 为冷热流体在已知热流体、冷流体进口温度条件下经过c f d 软件模拟计 算得到了热流体的出口温度、冷流体出口温度，由图4 - 4 、4 - 5 可以看出，热流体的温度由 入口温度3 0 0 。c 逐渐降低到1 1 6 ，冷流体温度由进口处的2 7 。c 逐渐上升到2 0 4 。c ，从冷热 流体的出口温模拟值来看，二者与设计值偏差不大，这说明，多孔介质模型可以合理预测 热管换热器温度场的分布。 图4 4 热流体侧温度场模拟计算值 f i g 4 _ 4n u m e r i c a lv a l u eo f t e m p e r a t u r ef i e l d i l l h o t f l o ws i d e 图4 5 冷流体侧温度场模拟计算值 f i g 4 5n u m e r i c a lv a l u eo f t e m p e r a t u r ef i e l d i nc o l df l o ws i d e 第4 章高温蠡管换拉器强化传蠡盘值模拟研究 4 1 4f l u e n t 软件分析热管换热器内流动与传热的局限性 从模拟结果发现，尽管c f d 计算流体力学软件一f u j e n t 对热管换热器内温度场分 析是可行的，但该软件没有体现冷热流体热量传递中热管的耦合作用，在模拟流体经过每 一排热管后的温度及管内外温度场的协调方面都具有一定的局限性 1 5 。这主要因为：1 、 热管传热元件内部进行的是相变传热，模拟过程中需建立两相流热力学模型；2 、f l u e n t 、 c f x 等计算流体力学软件通常将热管元件视为一具有高导热性的固体棒或多孔介质，这不 仅影响数值解，而且不等价。与高导热固体棒不同，热管的热传导与热阻不受传输长度影 响，而受内部传热极限如沸腾限、携带限、粘性限和声速限的影响。然而值得庆幸的是， t h e r m a la n a l y s i sa n df l u i df l o wd e s i g n 软件阔世使得热管换热器数值模拟成 为可能，该软件是n a s a ( n a t i o n a l a e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t o r ) 标准的用于热控制 系统的传热与流体流动分析软件，由于其具有良好的通用性，亦被广泛用于空间、能源、 航空、电子、汽车、制冷与空调、石油化学工业以及电站工业等5 0 0 多个场合“ 。 4 2t h e r m a la n a l y s i sa n df l u i df l o w d e s i g n 软件简介 4 2 1 软件的应用m 1 t h e r m a la n a l y s i sa n df l u i df l o wd e s i g n 软件用于航空工业对飞行器进行 热流体分析已有悠久的历史，近些年来，其应用己扩展到其它工业，如：核、电子、石 油化工、生物医学、汽车、电站系统等5 0 0 多个应用场合，遍布2 5 个国家。具体应用场 合如下： ( 1 ) 宇宙飞船和运载火箭的热控制、液体推进以及环境控制：( 2 ) 汽车与航天器发 动机散热、燃烧、润滑；( 3 ) 封闭空间电子元件散热装置设计；( 4 ) i - v a c 系统；( 5 ) 电 站系统：( 6 ) 两相流传输系统，包括：l o o ph e a t p i p e ( l h p ) - 与c a p i l l a r y p u m p e d l o o p ( c p l ) 设 计与模拟、两相流热虹吸管模拟、定常热管、可变导热管模拟；( 7 ) 煤气储藏分配系统； ( 8 ) 气候控制及水利系统；( 9 ) 燃料电池与维护设备；( 1 0 ) 锅炉与窑炉系统。 在热管技术领域里独特的应用：( 1 ) 用于宇宙中的两相流散热系统；( 2 ) 电子元器件 散热系统；( 3 ) 除冰系统；( 4 ) 等温炉衬里：( 5 ) 热管换热器。 4 2 1 软件组成 该软件由以下三部分组成，如图4 - 6 所示 南京工生土学博士学位论文 冒司习目目 qq 巨至三圈臣囝 图4 6t h e r m a l a n a l y s i s a n d f l u i d f l o w d e s i g n 软件组成示意图 f i g 4 石s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e r m a la n a l y s i sa n df l u i df l o wd e s i g ns o f t w a r ec o m p o s i n g ( 1 ) t h e r m a ld e s k t o p ” t h e r m a l d e s k t o p 模块是一个基于c a d 产生热模型结构设计环境的个人计算机平台， 它能够把基于有限差分表面的均一参数及用c a d 技术模拟热问题的有限单元结合起来。 使用t h e r m a l d e s k t o p ，工程师可以用a t u o c a d 直接绘制热结构模型，通过内置的电子数据 表将全部参数及复杂的表达式输入给s i n d a f f l u i n t 进行求解分析，因此，t h e r m a l d e s k t o p 具有强大的热分析能力。除此之外，t h e r m a l d e s k t o p 有权使用s 玳d a 伊l u i n t 最优化和可 靠性工程模块，优化设各结构尺寸、实现设备最大性能、找出最坏的操作条件、关联试验 数据。 但1s i n d a f l u i n t ：t h e r m a l f l u i d n e t w o r k s 1 1 9 2 13 s i n d a f l u i n t 模块用于设计和模拟热流体系统，该系统可以表达反映有限差分、 有限单元、集总参数方程的网络，不仅可以模拟热传导、对流、辐射传热，还可用来模拟 稳态、瞬态的单相和两相流网络系统。 夺s i n d a ：t h e r m a ln e t w o r k s i n d a 应用热网络法，把问题分解成储藏能量的节点( n o d s ) 和经过这些点通过 辐射与热传导进行能量交换的通道( c o n d u c t o r s ) ，常用集总参数法模型求解，也可以 对具有合适地网格壳体和固体用有限差分和有限单元方程求解。 夺f l u 矾t ：f l u i dn e t w o r k s f l u i n t 提出一种新型的组成流体网络单元的子模型一n l l p s 和p a t h s ，与传统的 热结点和导体相似，但它更适用于流体系统模拟，与热网络不同，流体网络能够同时 储藏质量、动量和能量。 l u m p s 分解成t a n k s ( 控制容积) 、j u n c t i o n s ( 不占容积的储藏点、瞬时控制容积) 、 p l e n a ( 边界状态) ；p a t h s 分解成为t u b e s 或c o n n e c t o r ( 瞬时流体通道) 。除了l u m p s 和p a t h s 以外，还有三个附加的流体网络单元，t i e s 、f r i e s 和i f a c e s ，t i e s 代表热流体 第# 幸高温盎管换盎器强化传量点值楼拟研究 和壁面间的传热；f r i e s 或f l u i d t i e s 代表流体本身内部的传热：i f a c e s 或i n t e r f a c e e l e m e n t 代表相邻控制容积的移动边界。 ( 3 ) s 1 n a p s p l u s s i n a p s p l u s 模块是一个完善的图形用户界面( g u i ) 及热流体回路设计工具( 即将传 热与流体流动表达成为网络) ，作为s i n d a f l u i n t 进行前后处理器和模型调试环境，用 户可在t h e r m a l d e s k t o p 平台上描述他们的热流体模型路线， s i n a p s p u s 自动生成 s i n d a f l u i n t 数据输入文件，当s i n d a f l u i n t 运行结束，s i n a p s p l u s 通过后处理结果 将模型结果可视化。 4 2 2 软件特点 该软件的特点是：( 1 ) 在三维a u t o - - c a d 环境内的t h e r m a l d e s k t o p 平台上快速构建 f d m 或f e m 热分析几何模型 1 8 2 3 ；( 2 ) 在三维热分析几何模型内，将管状系统如管子、 热管、回路热管【1 92 4 埘】、毛细泵、冷却剂回路及制冷系统f 2 7 】定义为一维流体流动与 传热模型；( 3 ) 在三维热模型结构内快速呈现流体流动轨迹，如图4 - 7 所示，而这个热几 何模型为传热计算提供了快速输入和选择1 d 流体流动参数的依据，如水力半径、流动截 面积、润湿周边，其结果是；在1 d 流体网络单元和2 d 传热表面自动产生对流传热 2 8 】， 图4 8 所示。 图4 - 7 无对流连接的流体流动模犁 f i g4 - 7f l u i df l o wm o d e lw i t h o u tc o n v e c t i o n c o n n e c t i o n 图4 - 8 具有对流连接的流体流动模型 f i g 4 - 8f l u i df l o wm o d e lw i t hc o n v e c t i o nc o n n e c t i o n 4 3t h e r m a la n a l y s i sa n df l u i df l o w d e s i g n 软件控制原理 集总参数分析法 当物体内部各处之间的温差与物体和周围介质问的温度差相比可以忽略时，则发生在 南京工业土学博士学位论文 物体内部的导热热阻比其边界上换热的热阻小得多，在这种情况下，边界上换热传进( 散 出) 的热量能够很快的传至各处，造成各处储存( 释放) 的热量均匀，从而各处温度变化 速率均匀，以致可以认为整个物体在同一瞬时处于同一温度下。这时所要求解的温度仅是 时间的函数而与坐标无关，好像该物体原来连续分布的质量与热容汇总到一点上而只有一 个温度值那样，这种分析方法称为集总参数法。采用集总参数法进行分析可以得到足够的 准确解，其误差小于5 ，满足工程需要2 9 3 对于集总系统，导热能量方程将被简单的热平衡方程所代替，其能量平衡方程式为： 矿罢= q i + a 4 ( 暑一r ) ( 4 _ 1 1 ) 式中：q ，为节点i 产生的内热，一为进行对流换热的物体表面积，口为物体与环境间的平 均对流换热系数。v 为物体的体积， 设初始条件是：f = 0 ，t = r o 引入过余温度，口= t - 正，并代入式( 4 - - 1 1 ) ，且假设节点f 产生的内热q ，= 0 ，则有 pcvd，0：一口a0(4-12) 口f 对上式进行分离变量得 d o口a 百一p c v 矗7 ( 4 1 3 ) 将式( 4 1 3 ) 积分有： 堰警一；罟d r ( 4 1 4 ) 旦：兽：f 芳7 ( 4 - - 1 5 ) 0 0 瓦一l 式中：竺鲁的倒数具有时间的量纲，称时间常数，表示物体给定的系统中，温度随时间的 ，v 变化率，用公式表示为： ：p c _ _ l z( 4 - - 1 6 ) a a 当时间f 等于时间常数时，物体的过余温度口已达到初始过余温度的3 6 8 c 3 0 3 。可见时 间常数z 越小，则物体过余温度在其恒温介质中的变化越迅速，亦即物体温度随时间趋于 周围流体的温度越快。从物理意义上讲，时间常数的这种影响就是物体自身的热容量 苇f 幸走 ；l 蠡管抉蠡器柱化传盎文值棋拟研究 c o = p c v 及其表面换热条件a a 的这两种影响的综合结果。因为物体热容量越大，温度变 化越缓慢；表面换热条件越好，单位时间传递的热量越多则越能使物体的温度迅速接近周 围流体的温度。图4 - 9 为单一集总热容分析的符号说明，在此线路中，初始时刻开关s 是 闭合的，在位势磊作用下系统的热容= p c v 被“充热”，然后开关s 打开，储藏在热容中 的能量通过热阻r = 散出。 口一 p c v 磊d t = 吼+ 口一何一砷 也。者 = 图4 - 9 单一集总热容系统分析的符号说明 f i g 4 - 9s y m b o ld e s c r i p t i o no f s i n g l el u m pt h e r m a lc a p a c i t ys y s t e m 前面所讨论的问题只涉及到一个集总系统，则称单容系统，但在实际工程应用中，大 都包含两个或两个以上彼此间有相互作用的集总系统，即多容系统，一个多容系统是由若 干个单容系统所组成，各个单容系统之间有热量传递，热量传递可以是导热的，也可以是 对流的或是辐射的。求解单容系统温度响应的分析方法也适用于多容系统，但随着所包含 的单容系统数目的增大，其分析方法也十分繁杂，针对这种情况应采用热阻热容网络法 ”。从图4 - 9 观察到每一个节点作为一个热容，可以用热阻将其周围的相邻的节点连接起 来，所研究节点数据下标用i 表示，与节点相邻的节点的数据下标用，表示，如图4 1 0 所 示，在稳态条件下，传入节点的净热量为零，则对多容系统，能量方程( 4 1 1 ) 可以写成： 图4 1 0 通用热传导节点电路模拟示意图 f i g 4 1 0s i m u l a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo f g e n e r a lh e a tc o n d u c t i o no f n o d ec i r c u i t 南京工业土学博士学位论文 吼+ 骞警= o ( 4 - 1 7 ) 式中：q i 为节点i 产生的内热，或是传给节点蹭辐射熟，或是传给节点i 的其它热量，岛 为热阻，可以对应于对流边界条件，也可以对应于内部热传导，或是其它情况。 对流边界： 热传导边界： 热辐射边界： r 一上” a a 见：堕 ” 兄a 冠? ：上 ”t y q ，a ( 4 1 8 ) ( 4 1 9 ) ( 4 2 0 ) 对于瞬态问题，可以证明传入节点的净热量必然等于体元内能的增加，每一个体元的 特征都像一个小的“集总”，所有体元的相互影响确定了物体在瞬变过程中的特征，如果节 点i 的内能可以用比热和温度表示，那么内能随时间的变化率可以写为： 丝：钟矿t p + i i - - t i p ( 4 - - 2 1 ) 式中：a v 为体元的体积，令 g=pcav(4-22) g 为物体的热容，表示系统储存的内能，它通过一个热阻系统放出这些能量。对于流体则 有3 扪： c；=pc,v(4-23) 因此，多容系统通用能量方程式为 ”喜警= e 警( 4 - - 2 4 ) 方程( 4 2 4 ) 不仅适用于物体的热传导，亦适用于流体的传递、内能设计相变的实际系统， 也容易考虑热物性随温度变化 2 9 1 。 4 4 热管换热器集总参数模型 热管管