机载蒸发循环制冷系统中直角弯管内两相流动的数值模拟

机载蒸发循环制冷系统中直角弯管内两相流动的数值模拟

摘要为了适应我国航空航天技术的发展，以及在大过载飞行器上使用蒸发制冷循

环的需要，本文对动载作用下两相流的流动与换热特性进行了初步研究。选取了具有

代表意义的直角弯管流动管道，利用商业计算软件CFX,对动载作用下管道内的两相

流动进行了数值模拟，以比较分析机载蒸发循环制冷系统中由于加速度过载作用对两

相流动的影响。与无过载时相比，过载作用卜.管内两相流的流型、空泡份额、速度和

压力分布以及流阻都发生了显著变化，并且与过载的大小及方向有关。

关键词机载蒸发循式制冷系统两相流动载数值模拟

1前言

大功率而集成电子电器设备的装机，大大提高了飞行器的总体性能。但它的发热

载荷也由先前的儿干瓦提高到目前的几十千乩。传统的空气循环式制冷系统已很难满

足现代飞行器电子设备的冷却要求。早在上个世纪的七八十年代，西方先进国家就酝

酿使用液冷和蒸发循式制冷系统的想法川121O

在机动飞行的飞行器上采用液冷和蒸发循环制冷系统首先遇到的难题即为动载

作用下的管道内的两相流动。动载作用下的气液两相流在流动和传热特性上有它本身

的特征。其液相涌塞、断流（尤其在转弯处）将更趋明显。在凝珠汇流和气泡剥离等

方面也将有大的变化，进而影响其流动和传热特性。

我国航空技术的发展，迫切需要为机载电子电器设备提供一个合适的工作环境，

延长其使用寿命。机载蒸发循环制冷系统的研发势在必行。

本文着重考虑了直角弯管的情况，对动载作用下管道内的两相流动进行了数值模

拟。本文的数值模拟部分采用ANSYS公司的计算流体力学软件CFXoCFX从CFDSFL0W3D

发展而来，建立在世界最大的科技工程企业AEATechnology50余年科技工程实践经

验基础之上。经过近30多年的发展，CFX被化工和寸程工业公认为解决流体流动、

传热、多相流、化学反应和燃烧问题的首选工程仿真软件。在分析离散相和连续相

相互作用的质量、动量、能量传递过程中，CFX具有世界公认最完整、可靠和稳定的

多相流模型系统川。

本文计算中，采用了两流体模型，它是目前一致公认最为完善可靠的两相流模型，

已被CFX软件所采用。

2理论模型以及基本方程

2.1控制方程

由于两相流在界面上存在参数的传递，两相流基本方程比单相流基本方程数量

要多，而且内涵复杂。下面给出两相流的控制方程：

2.1.1连续方程：

dtM

「印定义为：「皿—「明—（2）

式中：为单位体积从夕相到a相的质量流量；「力为单位体积从a相到£相的

质量流量。

2.1.2动量方程：

］（G/Ua）+V・&（4Ua*））

dt

=F▽九十▽•（〃，a（▽4+（VUaV））+工（「：万力一+M.

B=i

（3）

式中：

③为张量运算符号；

设张量U（Ux，Uy,Uz）,V（匕，匕,匕），则V定义如下

UMUMU"

u®v=uyvxuyvyuyvz

uyxu2vyuyz

2.1.3能量方程:

轨drapa

+▽•a（PaUaka））=V•（^VT；）+S£a⑷

dtCt

如果粘性作用不可忽略，则需要在式（4）右边添加一粘性项，变成:

8『aPj%、a仇Pa

St8t

2

2.1.4体积份额守恒方程：

各相体枳份额之和为1,即

Ny

=1（6;

a-\

在气液两相流中，由于两相的密度不一致，重力场对两相流的影响需要在动量方

程中添加一个源项表示：

SM,htioy=（P-P,Qg（7）

当气液两相在过载作用下，两相会产生附加质量力，过载对两相流动的影响同样

可以参考上式得出，只需把g换成相应的总加速度必

$M,Hig=9_Pref）a（8；

在两流体模型中，各相分别拥有各自的焰场和温度场，由单相流体的能量方程出

发，可以得到两相流的能量方程：

-T^aPa^ajot）一〃三+▽。加一）一

OtCt

▽•（"a（▽U—）,一尹（7@4）二玄（「；"“一小…）+Q.+S.

J0=1

（9）

对于不可压流动或低速流动，能量方程可写成:

A*

v&加〃）+▽•a八一乙））=＞（噎%—「鼠5）+。,+s“

ctp=\

（10）

在两相流动中，根据各相的流动情况，可分别取相应的紊流模型。在本文的两相

流动计算中，将采用左—£模型⑶。

当气液两相发生相变时，相间质量传递随即产生。在本文的计算中，仅考虑由于

热传递引起的相变（蒸发或冷凝）。相间质量传递由相连续方程中的源项体现，对于a

ffl:

a三（筋a）+V”〃PaUa）=Sa+「a（11）

Ot

2.2过载影响的处理方法：

在CFX中，可以利用浮力模型计算重力场对气液两相流动的影响，其方法是在动

量守恒方程中添加一个源项，以考虑由于两相密度不一致引起的所受重力不一致。本

文采用同样的思维方式，即通过添加动量源项来实现对流动中过载（Hi-g）影响的处

理⑸。

过载可以具有任意方向，但是总可以分解为水平和竖直方向上的两个量,对于竖

直方向上的量，也即重力方向上，此方向上的过载与重力的影响相当，方向相同，只

是大小不同，所以这里不作分析。在本文计算中，仅考虑过载影响的最典型情况，即

水平方向上的过载（故斗机水平£彳J•时加速或减速血产生的过载），以考察其对管内

两相流动的影响。

3计算结果与讨论

3.1计算参数以及网格牛.成简述

计算中选用的管道的几何参数如下：内径5nlm，水平段长100mm,竖直段长50

mm,弯头内径15mm。

计算工况为：气相进口（左）25C的空气，进口速度v=0.2m/s,体积份额0.6。

液相为25℃的水进口速度v=0.1m/s,体积份额0.4。出口（右）为标准大气压,

过我分别取3g、1g、0.5g、0g、-0.5g,-lg、-3g.-5g（取水平向右为正方向）。

网格生成采用CFX软件自带的网格生成工具CAI）2Mesh完成。

以下为计算得到的流型分布：

(a=3.0g)(a=1.0g)

VW.Vove»<MW

(a=0.5g)(a=0g)

(a=-0.5g)(a=-l.Og)

(a=-3.Og)(a=-5.Og)

图12不同过裁时弯管内水气流型分布

速度场的计算:

过载作用对直管道内两相流场的影响上面已经分析过，下面着重讨论过我

a=l.()g和a=-l.()g时穹头区域内两相流动的情况。

Water.StoerfcolV+otyArat25匚刈"41V6«xity

(v«wi)(Vecwn

-1710e»»0

图14过载a=L0g时管内气液速度场(弯头区域)

Mat25。如叱1。Velocity

(VCfI)

W«ef.5-oert<aiVetocity.3

fvm*1)

——Bi

7

1"ZeOJO

图15过载a=-lg时管内气液速度场（弯头区域）

下图为计算得到的空泡份额曲线:

图16过载a=Og图17过我a=1.0g

--------«-0

•…t-09R

•—•--OSR

图18过载a=T.0g空泡份额沿轴向变化

下面给出过载作用下弯管内的压力分布图以及管道流阻随过载变化图。同样，这

里仅分析过载a=l.0g和a=-1.0g两种情况。

图19无过载时弯管内压力分布图20过载a=lg时弯管内压力分布

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图21过载a=-lg时弯管内压力分布图22管道流阻随过载变化

4结论

本文通过对直管和弯管内动载两项流的数值模拟，得出以下结论：

（1）动载作用会引起管内两相流流型的变化，液相会往过载反方向拥挤。过载较大

时，会出现液相的断流和涌塞，横截面上的空泡份额随即出现跃变。

（2）动载作用下，管内两相流体会在局部出现加速（或减速）、回流、涡流和滞止等

现象。其中，回流和涡流主要集中于断塞区域和弯头部位。

（3）动我作用也会影响管内流动的压力分布和流阻。当过载与流动方向相同时，管

内的压力增大，且梯度为正，流阻会急剧增大；当过载与流动方向相反时，管

内的压力降低，梯