重力熱管幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值研究

張懷潔，張 偉

（天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津300384）

兩相閉式熱虹吸管（重力熱管）本身具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)緊湊、壓降小、露點(diǎn)腐蝕可控、不會(huì)因一端故障而導(dǎo)致兩種熱交換流體混合等.重力熱管不僅能提高設(shè)備的換熱效率，而且能使設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境更加穩(wěn)定可靠.熱管蒸發(fā)段、冷凝段的結(jié)構(gòu)和位置可以變化，因而適用于各式各樣的場合和環(huán)境[1].其應(yīng)用領(lǐng)域范圍非常廣泛，包括換熱器[2]、太陽能系統(tǒng)[3]等方面.

國內(nèi)外科研工作者在重力熱管的數(shù)值模擬研究方面取得了很多重要的研究成果.楊政等人[4]利用VOF模型對重力熱管進(jìn)行研究，并分析管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律.Xu 等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著傾角的增大，熱阻在降低，隨著輸入熱功率的增大，熱阻也會(huì)降低，熱阻的降低對提升熱管熱效率具有重要意義.Anand[6]運(yùn)用模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，研發(fā)了一種用于電子設(shè)備溫度控制的復(fù)合軸向通道芯鋁乙烷熱管.Gedik[7]和Huminic[8]研究了熱管在不同傾斜角度情況下的熱性能，發(fā)現(xiàn)熱性能在傾角為90°時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài).

由于目前對重力熱管的熱性能優(yōu)化與對比研究大部分都集中在充液率、熱輸入量、傾角等方面，對熱管重要管段長度的變化，以及相互之間的比例關(guān)系對熱管換熱性能以及流體流動(dòng)的影響研究并不全面，對熱管啟動(dòng)運(yùn)行過程中各個(gè)重要的時(shí)間點(diǎn)以及壁面溫度隨時(shí)間的變化并無太多關(guān)注.因此，本文分別著重研究了熱管各個(gè)管段之間的長度比例關(guān)系對重力熱管傳熱性能和流動(dòng)性能的影響.

1 物理模型及計(jì)算網(wǎng)格

圖1 為熱管計(jì)算模型及網(wǎng)格示意圖.本文建立的物理模型中蒸發(fā)段和冷凝段長度均為100 mm；絕熱段長度50 mm；熱管外部結(jié)構(gòu)的直徑為9.52 mm，內(nèi)部管徑為8.32 mm，壁厚為0.6 mm.采用ICEM 完成模型網(wǎng)格的劃分.模型計(jì)算區(qū)域的總網(wǎng)格數(shù)為83 200.使用邊界層加密將邊界層網(wǎng)格層數(shù)設(shè)為8 層，第1 層網(wǎng)格的大小和遞增因子分別為0.035 mm 和1.20.

圖1 熱管計(jì)算模型及網(wǎng)格示意圖

2 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

2.1 多相流模型

FLUENT 中有3 種多相流模型：Eulerian 模型（歐拉模型）、Mixture 模型（混合物模型）、VOF 模型（流體體積模型）.本文設(shè)置VOF 模型進(jìn)行多相模擬計(jì)算.

2.2 蒸發(fā)冷凝模型

為了對熱管內(nèi)的蒸發(fā)冷凝現(xiàn)象進(jìn)行建模，根據(jù)Schepper 等人[9]描述的關(guān)于蒸發(fā)冷凝過程，需要其有關(guān)的質(zhì)量和能量源方程與兩個(gè)條件，一個(gè)是蒸發(fā)條件，另一個(gè)是冷凝條件，如下

蒸發(fā)條件

液相

汽相

冷凝條件

汽相

液相

式中：Tmix為混合溫度；Tsat為飽和溫度；SαM為傳質(zhì)量；Sq為能量原相；hfg為潛熱；αv和αl分別為汽相和液相的體積分?jǐn)?shù)；ρv和ρl分別為汽相和液相的密度.

2.3 邊界條件及求解

本文選用瞬態(tài)計(jì)算模型，時(shí)間步長取0.000 1 s.重力加速度取值為-9.8 m/s.熱管內(nèi)工質(zhì)為純水，初始壓力設(shè)為4 000 Pa，計(jì)算區(qū)域溫度設(shè)為飽和溫度308 K.采用SIMPLE 壓力-速度耦合算法.通過加載自定義函數(shù)（UDF），完成蒸發(fā)冷凝模型的設(shè)置，其中水蒸氣設(shè)置為首相，水設(shè)置為次相.

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

3.1 數(shù)值算法可靠性驗(yàn)證

通過數(shù)值模擬得出熱管蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段的管壁的平均溫度與實(shí)驗(yàn)所測得的相應(yīng)管壁平均溫度進(jìn)行比較，相對誤差分別為3.27%，1.32%及7.16%（見表1），證明了本文數(shù)學(xué)模擬計(jì)算方法的可靠性.

表1 管壁平均溫度的實(shí)測值與模擬值

3.2 熱管內(nèi)汽液兩相分析

圖2 為0～9 s 時(shí)熱管內(nèi)部的汽液兩相變化云圖.模擬初始溫度為308 K，0.5～1 s 時(shí)，隨著熱量持續(xù)輸入，熱管蒸發(fā)段內(nèi)壁面上附著有氣泡，隨后氣泡生長并脫離壁面在液池內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，形成彈狀流.2.5～3.5 s時(shí)，熱管蒸發(fā)段液池內(nèi)部氣泡逐漸增大，形成泡狀流.4～5 s 時(shí)，由于氣泡運(yùn)動(dòng)越來越劇烈，蒸發(fā)段液池內(nèi)此時(shí)同時(shí)含有泡狀流與塊狀流兩種流態(tài).5～8 s 時(shí)，熱管蒸發(fā)段液池內(nèi)部同時(shí)含有3 種流態(tài)，分別為泡狀流、塊狀流和環(huán)狀流，且觀察到熱管冷凝段內(nèi)壁上有冷凝液滴出現(xiàn).

圖2 熱管內(nèi)汽液分布隨時(shí)間的變化

3.3 不同特征管段長度對熱管傳熱性能的影響

熱管熱阻作為評價(jià)熱管的傳熱性能的指標(biāo)之一，其計(jì)算方法如下

圖3 為不同管段長度下蒸發(fā)段壁面溫度.如圖3a所示，蒸發(fā)段長度保持100 mm 不變，絕熱段長度為50 mm 時(shí)，即絕熱段長度與蒸發(fā)段長度之比為0.5，啟動(dòng)時(shí)間為15 s，即此時(shí)有冷凝液回流至蒸發(fā)段，隨著冷凝液體流回蒸發(fā)段液池使得蒸發(fā)段壁面溫度不在隨著熱量輸入持續(xù)上升.蒸發(fā)段平均壁面溫度在15 s后，以330 K 為中間值上下波動(dòng)，不再持續(xù)升高，進(jìn)入熱管穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài).其他絕熱段長度的蒸發(fā)段壁面溫度持續(xù)上升，達(dá)到熱管穩(wěn)定運(yùn)行所需時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于絕熱段長度為50 mm 時(shí)的運(yùn)行狀況.

由圖3b 可知，蒸發(fā)段長度保持100 mm 不變，絕熱段為50 mm 不變，當(dāng)冷凝段長度為80 mm 時(shí)，即冷凝段長度與蒸發(fā)段長度之比為0.8，啟動(dòng)時(shí)間為17 s，在20 s 時(shí)最先進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài).與其他4 種冷凝段長度情況相比，冷凝段長度為80 mm 時(shí)蒸發(fā)段壁面溫度波動(dòng)范圍最小，熱管溫度在328 K 左右穩(wěn)定.

圖3 不同管段長度下蒸發(fā)段壁面溫度

圖4 為不同特征管段長度下的熱管熱阻.由圖4可知，當(dāng)絕熱段長度與蒸發(fā)段長度之比為0.5 時(shí)，熱阻值最小，為1.2 K/W.冷凝段長度與蒸發(fā)段長度之比為0.8 時(shí)，熱阻值最小，為1.17 K/W.主要原因是隨著熱管特征管段長度的變化，熱管內(nèi)部液膜黏性力對蒸汽阻塞流動(dòng)的作用也發(fā)生變化，影響熱管內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)，進(jìn)而影響整個(gè)熱管的換熱性能.

圖4 不同特征管段長度下的熱管熱阻

3.4 不同特征管段長度對熱管流動(dòng)性能的影響

圖5 為熱管內(nèi)軸向速度分布圖.其中藍(lán)色部分代表速度方向向下，顏色越深代表此處管內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)越劇烈.每根熱管內(nèi)部軸向速度最大值都出現(xiàn)在絕熱段部分.大部分熱管渦流現(xiàn)象出現(xiàn)在熱管冷凝段的內(nèi)壁面.由上文可知，當(dāng)絕熱段長度與蒸發(fā)段長度比為0.5以及冷凝段長度與蒸發(fā)段長度比為0.8 兩種情況下熱管熱性能最佳.由圖5 可以看出，在這兩種情況下管內(nèi)渦流現(xiàn)象最弱.

4 結(jié) 論

本文通過VOF 模型及加載蒸發(fā)冷凝相變的自定義函數(shù)（UDF）對二維熱管模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）絕熱段長度為50 mm 時(shí)，熱管啟動(dòng)時(shí)間最短，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)所需時(shí)間最短，且熱管熱阻值最小.即當(dāng)絕熱段長度與蒸發(fā)段長度比為0.5 時(shí)，熱管相應(yīng)的傳熱性能最佳.

（2）冷凝段長度為80 mm 時(shí)，熱管啟動(dòng)時(shí)間不是最短，但達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)所需時(shí)間最短，且熱管熱阻值最小.即當(dāng)冷凝段長度與蒸發(fā)段長度比為0.8 時(shí)，熱管相應(yīng)的傳熱性能最佳.

（3）本文研究的熱管結(jié)構(gòu)最佳尺寸值為蒸發(fā)段長度為100 mm，絕熱段長度為50 mm，冷凝段長度為80 mm.蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段長度比例為10 ∶5 ∶8時(shí)，熱管內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)與熱管換熱性能最好.