【《单根重力热管的数值模拟分析》4800字】

单根重力热管的数值模拟分析目录TOC\o"1-3"\h\u955单根重力热管的数值模拟分析 1182711.1热管模型 19571.2网格划分 2227701.3网格独立性验证 366091.4仿真验证 4141911.5热管求解计算 463571.6求解结果 71.1热管模型通过阅读国内外相关文献发现，实验与仿真均验证，绝热段长度越短，传热的效果越好[60,61,62]，为了更好的进行热量传递，本次毕业设计中只设计存在蒸发段与冷凝段的热管，热管的蒸发段长为1106mm，冷凝段长为380mm，内直径为21mm，忽略热管壁厚，热管模型图见图1。图1重力热管模型图在SolidWorks软件中按照上述尺寸和形状画出中空热管结构，保存成x_t格式文件，打开ANSYS2020R2软件，将FluidFlow分析系统拖入项目原理图的工作区中，将已画好的模型文件导入Geometry中，打开DesignModeler子系统，使用填充工具画出热管内部流体区域，在距离热管底部1106mm位置建立新平面，根据该平面创建切片，将热管分成上下两个部分，使用Boolean操作将分割的内部流体区域合成一体，并对内部流体区域、外部热管蒸发段、冷凝段分别命名，为了能够使热量通过外壁传给内部流体，将整个热管设置成一个part。1.2网格划分打开Mesh子系统，将边界面分别命名为Evaporator（蒸发段）、Condenser（冷凝段）、Wall（两端绝热壁面），然后设定全局网格，物理偏好使用CFD，全局设定中采用FLUENT求解器，单元的阶采用线性的，单元尺寸设为0.002m，最大尺寸为默认（0.004m），采用网格特征清除功能，捕获曲率和邻近度，尺寸采用默认设置，在局部设定中，由于要划分边界层网格区域，体网格方法选择多区（Multizone）划分方法，因为模型并不复杂，且为了获得更好的求解速度与求解精度，映射的网格类型使用六面体网格，其他条件使用默认设定，在边界层设定中，范围限定选用内部流体区域，边界选择固体壁面，并使用面网格剖分细化，设定完毕生成网格，检查网格质量，网格单元质量为0.96，网格单元质量在0到1之间，且越接近1，网格质量越好，故本设计中划分的网格满足要求，统计网格数，本设计共划分187248网格单元，网格节点数为200165，网格划分后的热管图如图2所示。图2热管网格划分图1.3网格独立性验证图3网格独立性验证网格数对数值模拟的求解结果是有很大影响的，网格数选取的过小，会导致计算结果与实际偏差过大，使求解精度大大降低，而网格数选取过大，对求解结果影响较小，但会严重增加计算机运算负荷，从而大大增加运算时间，因此需要选择合适的网格数进行求解，即需要进行网格独立性验证，本毕业设计选取了80214、104140、149098、187248、250482、423852、945535这七组网格数进行网格独立性验证，验证的指标为蒸发段的平均温度，为消除时间对本验证的影响，七组模拟的时间步长均为0.001s，且均运算到0.5s，验证结果如图3所示，通过结果可以看出，当网格数超过180000时，网格数对模拟的结果影响较小，而本毕业设计选取的网格数为187248。1.4仿真验证图4仿真验证如图4所示，为热功率100W、充液率48%情况下的蒸发段测点温度的实验和数值模拟对比，数值模拟的时间步长设置为0.01s，迭代超过190000次，实验温度测点的平均温度为337.97K，数值模拟温度测点的平均温度为340.94K，平均误差为1%。1.5热管求解计算更新网格之后，打开FLUENT求解器，选择三维模型和双精度选项，并行计算选择3程，首先检查网格，发现没有负体积，采用基于压力的求解器，时间选择瞬态模式，使用绝对速度公式，打开重力开关，由于模型是垂直x-y轴建立的，因此在沿z轴方向设置重力加速度为-9.81m/s2，在选择热管的管材和内部工质时，需要考虑热管的相容性，低温和常温热管的工作温度与工作介质及相容壳体材料[60]见表2。表2热管的工作温度与工作介质及相容壳体材料种类工作介质工作温度（℃）相容壳体材料低温热管氨-60~100铝、不锈钢、碳钢R21-40~100铝、铁R11-40~100铝、不锈钢、铜R113-10~100铝、铜常温热管己烷0~100黄铜、不锈钢丙酮0~120铝、铜、不锈钢乙醇0~130铜、不锈钢甲醇10~130铜、不锈钢、碳钢甲苯0~290低碳钢、低合金钢水30~250铜、碳钢表3水的材料属性属性单位数值比热J/(Kg∙K)4182热导率W/(m∙K)0.6粘度Kg/(m∙s)0.001003分子量Kg/kmol18.0152标准态焓J/Kgmol-2.858e+08参考温度K298表4水蒸气的材料属性属性单位数值密度Kg/m30.5542比热J/(Kg∙K)2014热导率W/(m∙K)0.0261粘度Kg/(m∙s)1.34e-05分子量Kg/kmol18.01534标准态焓J/Kgmol-2.418e+08参考温度K298.15通过表2选择工质水和对应的材料碳钢，添加水和水蒸气两种液体材料以及固体材料钢，工作介质材料属性见表3和表4。在本求解中使用VOF模型，设置水和水蒸气两相，由于本毕业设计中涉及到重力的作用，故使用隐式体积力公式，设置表面张力系数为与温度有关的多项式[63](20)打开蒸发-冷凝模型，设置其内的饱和温度设为301.15K，因为打开了蒸发-冷凝模型，使得能量方程也被动打开，除多相流模型和能量方程外，选用层流模型Laminar，打开粘性发热开关，在单元区域条件中，将材料钢设置热管固体壁面的材料，设置水的密度为与温度有关的多项式[63](21)蒸发段边界条件为恒定热流密度，对于蒸发段长度为1106mm的热管，加热功率为100W时，热流密度为热功率与蒸发段壁面面积之比，即(22)其中Q=100W，d=0.021m，l=1.106m，计算结果为1370.4895W/m2，对于其他加热功率与其他蒸发段长度的热流密度均按照式(20)计算，详见表5：表5数值模拟工况参数蒸发段长度(mm)加热功率(W)热流密度(W/m2)7131002125.892571350010629.4626713100021258.9251320100047367.54261106100013704.8948壁面材料设置为钢，冷凝段外壁面边界条件为对流换热，来流温度设置为291.15K，对流换热系数按照式(18)计算，设置对流换热系数为65.22W/(m2∙K)，其余两端圆形封面设置为绝热条件，在求解方法中，压力-速度耦合器采用的是SIMPLE方法，空间离散化的体积分数使用Geo-Reconstruct方法进行求解，空间离散化的梯度采用LeastSquaresCellBased方法，空间离散化的压力采用PRESTO!方法，空间离散化的动量采用FirstOrderUpwind方法，空间离散化的能量采用FirstOrderUpwind方法，由于本次毕设研究充液率为48%的热管工质流动与传热情况，故在临时寄存器中标记一个直径为21mm，高为711.28mm的圆柱形区域，因为在设置VOF两相流时，以水蒸气为主相，故需要标记出水位，因此命名该圆柱形区域为water，为了监控蒸发段和冷凝段的壁面平均温度，故需提前设置报告定义，在报告定义中设置新的面积加权平均值表面报告，分别选择蒸发段和冷凝段，并选择将报告打印到控制台上，以便于对温度曲线进行动画实时更新设置，这种情况下容易判断数值模拟是否达到了稳定状态，在进行完上述设置，接着进行初始化设置，初始化方法使用标准化，由于本毕业设计中设置的水的饱和温度为301.15K，为了尽快达到稳定状态，故初始温度设置303K，其他参数默认初始化，在局部初始化中，设置初始压力为4245Pa，将标记的water区域中水的体积分数设为1，由于ANSYSFLUENT计算时占用内存较大，软件容易崩溃闪退，且为了查看数值模拟过程中的数据，需要设置每10时间步自动保存，设置水蒸气云图以及蒸发段和冷凝段平均温度曲线的动画，时间步数设置为10000，由于库朗数能够表征时间步长与空间步长之比，当时间步长设置过大时，会触发库朗数超限的错误，因此本毕业设计的时间步长设置为0.001s，经过反复测试发现，每一时间步长最大迭代次数为35次时可保证数值模拟在每一时间步中都达到收敛情况，在进行完以上设置后开始运行计算，迭代超过100000次。1.6求解结果图5100W水蒸汽体积分数云图如图5所示，为100W水蒸汽体积分数云图，时间步长为0.001s，蒸发段长度为713mm，冷凝段长度为773mm，充液率为48%，蒸发段边界条件为定热流密度2125.8925W/m2，冷凝段边界条件为-1960.8815W/m2，初始状态下冷凝段充满水蒸气即红色部分，水蒸气体积分数为1，蒸发段充满水即蓝色部分，水蒸气体积分数为0，从图中可以看出首先在水蒸气与液态水交界处发生沸腾相变现象，随着时间的推移，液体内部出现气泡，水蒸气部分的水蒸气体积分数逐渐降低，即水蒸气开始冷凝。如图6所示，为500W水蒸汽体积分数云图，时间步长为0.001s，蒸发段长度为713mm，冷凝段长度为773mm，充液率为48%，蒸发段边界条件为定热流密度10629.4626W/m2，冷凝段边界条件为-9804.4073W/m2，初始状态下冷凝段充满水蒸气即红色部分，水蒸气体积分数为1，蒸发段充满水即蓝色部分，水蒸气体积分数为0，从图中可以看出由于初始状态下就加了较大的输出功率，因而热管的冷凝段部分很快便凝结出液态水，在热管启动阶段大部分水蒸气都凝结成了液态水，随着恒定热流密度加热的情况下，热管蒸发段的温度达到了水的饱和温度，在热管的蒸发段开始有水蒸气产生，而且随着蒸发段持续加热，使得蒸发段出现越来越多的水蒸气，到了稳定状态下，在热管的冷凝段水蒸气不断的凝结成水，而在蒸发段凝结流下的水又不断蒸发成水蒸气，而在两相流接触的区域，为水和水蒸气混杂区域。图6500W水蒸汽体积分数云图图71000W水蒸汽体积分数云图如图7所示，为1000W水蒸汽体积分数云图，时间步长为0.001s，蒸发段长度为713mm，冷凝段长度为773mm，充液率为48%，蒸发段边界条件为定热流密度21258.9251W/m2，冷凝段边界条件为-19608.8145W/m2，初始状态下冷凝段充满水蒸气即红色部分，水蒸气体积分数为1，蒸发段充满水即蓝色部分，水蒸气体积分数为0，从图中可以看出由于初始状态下就加了较大的输出功率，因而热管的冷凝段部分很快便凝结出液态水，在热管启动阶段大部分水蒸气都凝结成了液态水，随着恒定热流密度加热的情况下，热管蒸发段的温度达到了水的饱和温度，在热管的蒸发段开始有水蒸气产生，而且随着蒸发段持续加热，使得蒸发段出现越来越多的水蒸气，到了稳定状态下，在热管的冷凝段水蒸气不断的凝结成水，而在蒸发段凝结流下的水又不断蒸发成水蒸气，而在两相流接触的区域，为水和水蒸气混杂区域，从图中可以看出，加了1000W的热功率的热管，相比于100W和500W热功率的工况，反应速度更快，达到稳定所用的时间更短。图8、图9、图10分别为1000W水蒸气云图和速度矢量图、500W水蒸气云图和速度矢量图、100W水蒸气云图和速度矢量图，从图中可以看出，热管内部工质的流动呈现诸多漩涡状，在热管下半部分产生的蒸汽较多，速度矢量多数向上，而在上半部分有凝结水生成，在凝结水生成的地方速度矢量向下即表示水在重力的作用下向下流动，对比三个功率的结果发现功率越高，内部工质流动的速度越大。图81000W水蒸气云图和速度矢量图图9500W水蒸气云图和速度矢量图图10100W水蒸气云图和速度矢量图图11不同加热功率下，蒸发段平均温度随时间变化图加热功率分别为100W、500W、1000W时，蒸发段平均温度随时间的变化图如图11所示，从图中可以看出，加热功率为1000W时，蒸发段平均温度增长的最快，在模拟时间达到6s时，蒸发段平均温度开始震荡，在500K附近达到震荡平衡，由于在热管内部是一个复杂的相变循环过程，因此热管内部达到稳定时，蒸发段平均温度会出现一定幅度的波动，对于加热功率为500W的工况，更能反映出相变过程的特点，在起始阶段，水吸热发生相变，变成水蒸气，温度基本保持不变，在模拟进行2.5s左右时，蒸发段平均温度开始升高，并在模拟进行到10s时，蒸发段平均温度在400K附近开始震荡，并达到震荡平衡，对于加热功率为100W时，由于加热功率较小，最终蒸发段平均温度稳定在305K。如图12为在1000W加热功率下，蒸发段和液位的相对长度对蒸发段平均温度的影响图，其中液位高度保持不变，包括蒸发段长度大于液位的情况、蒸发段长度等于液位的情况、蒸发段长度小于液位的情况，对于蒸发段长度小于液位的情况，即蒸发段长320mm，液位高713mm，由于这种情况下热流量最为集中，热流密度最大