振荡热管内两相流界面形态数值模拟研究

摘要

作为一种新型高效的传热元件，振荡热管以其结构简单、传热性能优良、成本低廉、适应性强等优点，受到了国内外学者极大的关注，在电子元件散热、空气调节、余热回收等领域得到了广泛应用，并具有极大的开发潜力。振荡热管工作时，管内压力温度波动极为复杂，促使管内表现出复杂的两相流动，流型的形成及转变在很大程度上影响着振荡热管的工作性能，所以对管内两相流界面形态的研究具有重要意义。毛细管作为振荡热管的基本元件，采用毛细管模型对振荡热管内两相流动进行研究是一种切实可行且新颖独特的途径。
　　针对柱塞流、气泡脉动及其变形破裂等振荡热管中非常普遍的流型，基于毛细管几何模型，耦合 VOF模型和CSF表面张力模型，采用ANSYS FLUENT14.0求解器进行计算分析。首先借助毛细T形管结构产生稳定柱塞流，探究 T形管内柱塞流形成机理，得到柱塞长度与支管半径的关系，为管内柱塞流动深入研究提供参考。随后对毛细管内气泡运动变形进行模拟，通过与其他学者的实验结果及LBM模拟结果对比，一致性较好，模型准确性得到验证。研究不同Re数、We数、Ca数情况下毛细管内气泡的变形破裂规律，以及脉动压力驱动下的振荡变形规律。在毛细管内气泡破裂临界毛细值会随气泡直径增加而增加，压力脉动导致流体流动脉动以及界面波加剧，致使流动紊乱程度增加。
　　随着振荡热管管径的微型化，管内多个独立气液界面的相互作用在很大程度上影响着界面的运动，引入界面追踪法（Front-Tracking Method,FTM)，借助其精确追踪界面的优点，运用MATLAB软件计算处理，以管内两个液滴自由下落为例，初步探索了管内多个气液界面间的耦合作用。数值分析不同Re数、Eo数和液滴初始中心距情况下液滴的运动变形情况。在初始中心距较小(L/D=2)时，液滴在下落过程中变形是不对称的，并且会相互排斥，在Re数较大和Eo数较大时，这种现象更加明显；而初始中心距较大的液滴运动特性主要由Re数和Eo数决定。这些研究为FTM方法在振荡热管两相流研究上的应用提供参考。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 振荡热管简介

1.3 课题国内外研究现状

1.4 两相流简介

1.5 本文研究内容

第2章 VOF模型与T形管内柱塞流模拟研究

2.1 Fluent简介

2.2 管内气液两相流基础理论

2.3 两相流模型及控制方程

2.4 T形管内柱塞流动模拟分析

2.5 本章小结

第3章 毛细管内气泡变形及脉动运动模拟研究

3.1 毛细管模型

3.2 影响气泡流动的几个无量纲数

3.3 模拟的两个验证

3.4 毛细管内气泡破裂变形分析

3.5毛细管内气泡脉动运动分析

3.6 本章小结

第4章 管内气液界面耦合的FTM模拟研究

4.1 双液滴流动研究

4.2 物理模型与控制方程

4.3 数值模拟结果与分析

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 本文主要创新点

5.3 本文不足与进一步工作的方向

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果