微环路热管蒸发器内两相流动换热特性研究

摘要

近年来，微环路热管系统(MLHPs)在机载电子设备换热领域有着很大的应用前景和发展潜力，对MLHP的研究越发引起国内外研究学者们的关注。学者们对MLHP系统的研究主要集中于整个MLHP装置的实验测试和理论研究，常简化蒸发器吸液芯内复杂的热物理过程。蒸发器吸液芯的传热性能与蒸发器设计是紧密相关的，而蒸发器设计最广的就是蒸发器管壳和吸液芯内的结构设计，因此本课题对两种不同结构的圆形截面蒸发器建立数值模型，以研究蒸发器中主吸液芯在整个系统循环回路中的传热性能以及吸液芯内复杂的蒸发潜热过程，探索各参数对MLHP传热性能的影响。
　　本文建立两种不同结构的蒸发器的轴对称二维数学模型来模拟蒸发器主吸液芯内的稳态工况。该模型考虑了毛细驱动对流冷却和传热蒸发过程。通过数值模拟研究液体进口温度、热流密度、多孔芯结构参数等单参数对蒸发器主吸液芯的传热性能的影响。通过数值模拟获取蒸发器管壳平均温度Twall和蒸汽出口温度Tout，计算蒸发器的传热性能指标（接触热导率、蒸发热阻和传热系数），并研究其随着各种影响参数的变化而变化的情况。
　　数值模拟结果表明:
　　(1)当进口液体温度远远小于液相工质饱和温度时，蒸发器的传热性能变化很小;只有当进口液体温度接近液相工质饱和温度时，蒸发器的传热性能才能得到充分发展和强化。
　　(2)随着热流密度的增大，蒸发器管壳平均温度Twall、接触热导率和传热系数不断增大;蒸汽出口温度Tout先逐渐增大后不断减小;蒸发传热热阻不断减小，即当热流密度处于一定范围内时，增加热流密度可以强化其蒸发器的换热效果。
　　(3)对蒸发器模型1而言，低热流密度作用下的蒸发传热性能受孔隙率的影响不大，孔隙率对其传热性能的影响在高热流密度作用下比较明显。对蒸发器模型2而言，不论热流密度为何值，其蒸发传热性能对孔隙率的变化都相对比较明显。
　　(4)低热流密度时，较低的有效导热系数对蒸发器模型1的传热性能影响很小;高热流密度时，有效导热系数的增大可以强化其流动换热性能。而对于蒸发器模型2而言，其传热性能随着有效导热系数的增大而呈现出良好的换热效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 背景和意义

1．2 微型环路热管系统简介

1．3 环路热管的国内外研究进展

1．3．1 微环路热管毛细芯性能研究

1．3．2 微环路热管整体传热性能研究

1．4 本文主要研究内容

第二章 微环路热管的工作原理及其特性

2．1 微环路热管的工作原理及影响因素分析

2．1．1 微环路热管的工作原理

2．1．2 影响环路热管蒸发器性能的因素

2．2 环路热管蒸发器吸液芯内的蒸发状态

2．3 本章小结

第三章 环路热管蒸发器的传热模型的建立

3．1 毛细多孔介质的传热传质过程

3．1．1 多孔介质的基本特性及其研究方法

3．1．2 毛细多孔介质中的气液相界面模型

3．2 环路热管蒸发器的守恒方程的建立

3．2．1 质量守恒方程的建立

3．2．2 动量守恒方程的建立

3．2．3 能量守恒方程的建立

3．3 环路热管蒸发器数值模拟的相关参数设置

3．3．1 环路热管蒸发器的结构参数和工质氨的特性参数

3．3．2 蒸发器计算区域的边界条件的确定

3．4 本章小结

第四章 环路热管蒸发器数值模拟准备

4．1 模型建立及网格处理

4．2 Fluent软件的简要介绍

4．2．1 Fluent软件的工作步骤

4．2．2 控制方程的离散

4．2．3 流动控制方程的离散格式

4．2．4 求解N-S方程的SIMPLE算法

4．2．5 Fluent中UDF编程的简要介绍

4．3 两相流模型的选择

4．4 界面模型的数值处理

4．5 网格无关性验证

4．6 本章小结

第五章 蒸发器数值模拟结果分析

5．1 进口处液体温度对蒸发器传热性能的影响

5．2 热流密度对蒸发器传热性能的影响

5．3 多孔吸液芯孔隙率对蒸发器流动性能的影响

5．4 有效导热系数对蒸发器流动性能的影响

5．5 本章小结

第六章 结论和展望

6．1 本文内容的总结

6．2 建议和展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果