纳米流体重力热管换热特性数值研究

摘要

重力热管作为一种高效的传热元件在换热领域得到广泛的应用，其内部复杂的传热传质过程是研究热管换热机理的重点。纳米流体作为一种新型换热介质，了解其在热管内部进行的蒸发和冷凝过程，对理解纳米流体应用于热管的影响有重要的意义。本文在分析重力热管结构、工作原理、纳米流体、纳米流体热管以及热管数值模拟国内外研究现状的基础上，通过建立重力热管内部传热传质过程的数值模型，对纯水热管和纳米流体热管的启动过程进行分析和研究。
　　本文以外径9.52mm、壁厚0.6mm、蒸发段100mm、绝热段50mm、冷凝段100mm的重力热管为研究对象，运用VOF模型和UDF技术建立了重力热管的瞬态数值模型，在加热功率分别为40W、60W和80W条件下，对纯水和Al2O3纳米流体热管内部蒸发和冷凝过程分别进行数值计算。同时，分别计算和对比分析纯水和Al2O3纳米流体热管启动过程中蒸发段、绝热段和冷凝段壁面温度、热阻以及当量导热系数。
　　研究结果表明：纯水热管内部的蒸发段的相变过程为核态沸腾，冷凝段的相变过程为膜状冷凝。随着加热功率的改变，相同时刻沸腾产生的气泡在数量、大小、形状以及位置上发生变化，同时随着加热功率的增加，不仅冷凝段形成连续液膜需要的时间更短，而且液膜的厚度也有一定增加。热管蒸发段壁面温度在启动过程中变化规律显示，纯水热管完成启动需要的时间为19s，随着加热功率的增加，启动过程中的温度也相应升高。冷凝段的壁面温度变化趋势说明了纯水热管开始工作时间在加热功率增大一定程度后，将会相应提前，最快为3秒左右。此外，纯水热管的热阻随着加热的功率增大而减小，最小可达0.552K/W。纯水热管的当量导热系数随着加热功率的增加而变大，最大可达2.07×106W/m?K-1。
　　相同功率下，Al2O3纳米流体热管蒸发段相比纯水热管在相同时刻沸腾产生的气泡出现的位置和形状发生改变，而除了加热功率为40W的情况下，冷凝段的液膜在相同加热功率下可以明显看到厚度的增加。Al2O3纳米流体热管蒸发段、绝热段以及冷凝段启动过程中的变化趋势基本相同，说明Al2O3纳米流体并未改变热管的启动方式，但是Al2O3纳米流体热管完成启动过程需要的时间相比纯水热管快了3秒，热管开始工作的时间也有一定程度地加快。同时，Al2O3纳米流体热管蒸发段壁面温度相比纯水热管最高下降0.61％，以及冷凝段壁面温度最高上升0.36%，说明了 Al2O3纳米流体热管拥有比纯水热管更好等温性。Al2O3纳米流体热管相对于纯水热管热阻有了一定程度的下降而当量导热系数有了一定程度的上升，最大下降和上升率都出现在加热功率为60W时，分别为9.34%和3.47%。此外，在加热功率为80W时，随着纳米流体浓度的增加，热管的稳定性得到了改善，本文计算范围内，热管的换热性能在浓度为6%时达到最佳。

目录

声明

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2重力热管结构以及工作原理

1.3 纳米流体介绍及国内外研究现状

1.4 纳米流体应用重力热管国内外研究现状

1.5 热管数值研究的国内外现状

1.6 本文的主要内容及意义

1.7 本章小结

第2章 重力热管的传热理论分析及数学模型

2.1 重力热管蒸发段换热过程

2.2 重力热管冷凝段换热过程

2.3 FLUENT 简介

2.4 多相流模型的选择

2.5 VOF模型的控制方程

2.6 相变模型

2.7 用户自定义函数

2.8 本章小结

第3章 纯水热管的数值研究

3.1 几何模型和网格划分

3.2 边界条件

3.3 数值方法

3.4 数值验证

3.5 不同加热功率纯水热管的计算结果与分析

3.6 本章小结

第4章 纳米流体热管的数值研究

4.1 纳米流体的物性参数

4.2 不同加热功率纳米流体热管的计算结果与分析

4.3 不同浓度纳米流体热管的计算结果与分析

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文与专利

致谢