热管换热器传热性能及温度场数值模拟

引　言热管换热器是工业领域中应用广泛、经济有效的换热设备之一 ,对其传热性能的研究一直是热管界学者普遍关注的课题 .采用传统换热器设计理论即对数平均温差法和有效度 传热单元法对热管换热器进行传热计算已有大量的文献报道[1～ 3] ,但采用数值分析的方法研究热管换热器传热性能还鲜见报道 .在热管换热器中 ,冷、热流体间的热量传递是与热管管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程相耦合的 ,因此导致热管换热器的总体性能一方面取决于热管元件本身的性能 ,另一方面又取决于管壳间流体流动和传热的特性 ,这两方面的综合影响决定了热管换热器的数值模拟研究具有相当大的难度 .本文采用数值模拟计算方法重点研究热管换热器的传热性能及其温度场分布 ,为热管换热器内流场分布研究和工程应用提供参考1　数值计算模型的建立1 1　热管换热器传热模型假设热管换热器沿流体流动方向分成N段 ,每一段由一排性能相同的热管组成 .图 1为第j排热管传热计算示意图ig 1　Heartransfermodelofheatpipeheatexchang1 2　模型假设(1)热管换热器处于正常工况条件下2)热管换热器沿流动方向分成N段 ,每一段由一排性能相同的热管...     

高温换热器多场耦合数值模拟研究

建立了高温换热器流动和传热的数值模型,对5种不同工况条件下的换热器进行了数值模拟,得到换热器的流动和传热特性;在ANSYS软件中建立换热器管束三维有限元模型,通过ANSYS CFX-POST准确的将前面FLUENT计算得到的温度场、压力场映射到ANSYS结构模型中,对换热器进行多场耦合分析;通过热-结构应力分析,得到换热器管束的等效应力和位移分布状况,并确定了最大应力发生的位置和具体数值,对换热器进行强度评价。     

固-液/气-液多相耦合热控技术应用研究进展

相变热控技术具有设备性能可靠、质量轻、耗能低等优点,在工业和学术界受到广泛关注。利用固-液相变恒温吸热和气-液相变超高导热特性,可实现多相耦合的高效储热传热过程。本文针对固-液/气-液多相耦合热控技术提出多相耦合概念,以典型相变材料和热管耦合系统为切入点,首先介绍相变及多相耦合的工作原理,归纳了两者之间的典型耦合方式：相变材料分别置于热管蒸发段、冷凝段、绝热段,或热管整体嵌入相变材料作为导热骨架;然后着重评述了目前国内外多相耦合热控技术用于电子器件冷却和电池热管理领域的研究进展,并对其他领域（如蓄热/冷）的应用现状进行总结;最后从材料改性、器件耦合、系统协同等角度提出当前面临的问题和未来发展方向。     

基于管内微层蒸发传热机理的热管换热器传热强化研究

基于微层蒸发强化传热理论,对热虹吸管内部设置分流管结构强化沸腾传热机理进行了分析,建立了分流管强化热虹吸管内部沸腾传热模型,并通过大量试验研究验证了理论分析的正确性;同时对热管换热器能量控制方程采用有限差分法进行了数值模拟计算,计算结果与试验结果吻合良好,不仅证明强化传热理论分析与计算方法的正确性,而且表明热管内部强化传热有利于提高热管换热器传热能力、改善热管换热器传热性能及优化热管换热器结构,为工程应用提供依据。     

用于低温余热回收系统热管换热器传热性能的数值模拟

采用CFX软件Fluent模拟了用于低温余热回收的重力热管内的相变情况及充液率、热管长度比、管中心距对热管换热器传热性能的影响。模拟结果显示,水量一定时,加热段与冷凝段长度相同的热管在不同充液率条件下的传热特性,高充液率的传热能力优于低充液率的传热能力,适宜的充液率为60%~70%。当充液率一定时,加热段的长度小于冷凝段的长度有利于热管传热。当充液率及管长一定时,热管换热器的传热系数随管中心距的增大而减小。将热管换热器数值模拟的总传热系数与理论计算的结果进行对比,实现了特定体系热管换热器的结构优化。     

两相闭式热虹吸管的流动与传热特性研究

对两相闭式热管内的流动与传热特性进行数值模拟.分段建立热管内的流动与传热方程,通过编写程序对控制方程进行求解.采用离散液膜下降高度方法,联合利用复合辛普森数值积分和四阶龙格库塔数值微分方法成功地实现模型求解过程.将热管内充液量、饱和蒸汽温度和加热段热流密度作为影响因素进行数值计算.在分析中考虑下降液膜和上升蒸汽之间界面剪切力的影响.数值计算结果发现,尽管界面剪切力有时对传热过程的影响不大,但冷凝段和蒸发段的液膜都有所增厚,模型预测结果与实验测量值吻合程度有所改善.数值模拟结果表明,综合考虑热管内界面剪切力和总体充液量对热管流动与传热特性的影响是有必要的,由此获得的传热特性关联式更符合实际情况,可以为热管换热器的性能计算和设计提供指导.     

重力型热管结构优化数值模拟及传热实验研究

针对热管换热器及重力型热管,研究了其在涡流发生器及翅片加热管对换热器的换热影响,对换热器的热管结构进行了优化,最后通过实验对各种结构的换热管进行传热特性研究,并对理论部分进行了验证,通过横向翅片和裸管的换热效果,在对热管加装翅片的基础上,加装涡流发生器,通过对没有安装涡流发生器的翅片热管与之进行对比,并应用温度场与速度场对换热增强机理进行说明。     

相变热控装置内部的传热特性

针对舱内热控用相变热控装置内部的传热特点,研究装置内相变材料吸热过程的相变传热及流固耦合传热规律,建立了相应的数理模型及数值计算方法,进行了实验验证,并在此基础上分析了典型热控单元吸热特性的影响因素及作用规律。相关研究成果将为相变热控装置吸热及热控特性的有效预测,以及为装置的设计及优化提供参考。     

热管换热器流动与传热的CFD模拟及试验

根据热管换热器结构特点及传热特性,建立了热管换热器壳程流动与传热的三维物理模型。模型中引入了多孔介质模型中的分布阻力和分布热源的概念,通过CFD计算软件模拟研究了热管换热器压力降与温度场分布,模拟研究结果与试验结果吻合良好,为热管换热器的进一步理论研究和推广应用提供了依据。     

谈谈热管及热管换热器

对热管的工作原理、特性、传热过程及特性限制等作了介绍,并叙述了热管换热器的结构型式及特性。     

用于天然气液化流程的组合式低温热管换热器的实验测试

撬装式液化天然气(LNG)流程要求设备紧凑,而传统换热器在减小其换热通道尺寸时会产生冻堵问题。热管极高的传热系数和良好的温度均一性,可以有效克服这种缺陷。根据小型天然气液化流程参数,设计制造了低温工质(丙烷、乙烷、甲烷等)重力热管换热器模块。实验结果显示,低温热管换热器在热通量为860 W·m^-2时,每排热管的平均换热效率为43.28%,414排热管换热器总体换热效率可达到99.68%,换热量满足小型LNG液化流程50000 m³·d^-1的处理量要求。并且在工况突变时,能够迅速将局部冷量均匀分布至所在迎风截面,防止高凝固点的杂质在通道内冻堵。     

脉动热管间协同耦合强化传热特性实验分析

引言 脉动热管是一种新型热管,其结构简单、可以实现高热流密度传热,在电子元器件的冷却及航天领域极具发展潜力,由Akachi于20世纪90年代最早提出.现有的脉动热管技术只是将单个热管应用到传热领域,从自激振荡流热管的工作原理可以看出,要进一步强化其热量传递过程有2个基本途径:一是强化管内汽-液介质与管壁之间的传热;二是提高其振荡频率和运行的循环动力.     

二次热回收热管式空调系统

提出一种二次热回收热管式空调系统,其利用热管换热器做到二次热回收,设计该系统并搭建实验台,通过理论计算和实验比较该系统与其他系统之间的差异。以合肥为例,从理论上分析了二次热回收热管式空调系统的冬、夏季能耗,通过对实验数据的分析得出本系统冬季新风风速在1.20～1.85 m·s^-1之间热回收率能达到10%～23.2%;夏季新风风速在1.20～2.0 m·s^-1,室内外温差在4.2～8.0℃时热回收率能达到35%～55%,并提供了0～7.4℃的再热温差,表明了这种新的中央空调系统具有独特节能优势。     

基于BP神经网络的不凝性气体对脉动热管传热影响的分析

不凝性气体的存在会影响脉动热管的传热性能。本文以去离子水和聚丙烯酰胺（PAM）溶液为工质,搭建了脉动热管半可视化传热性能实验系统,研究了不凝性气体的存在对脉动热管传热特性和运行特性的影响;通过建立BP神经网络模型,在不同不凝性气体压力条件下,对脉动热管传热热阻做出了回归预测,并进行了验证。结果表明：不凝性气体的存在会恶化脉动热管的传热性能。随着加热功率的增加,在不同不凝性气体分压力条件下的热阻呈现下降趋势。而随着不凝性气体分压力的增大,工质的蒸发段平均温度明显增大。通过BP神经网络可以对不同不凝气体分压力下脉动热管热阻作出可靠的回归预测,可为脉动热管运行状态的优劣提供判定思路。     

水热管等温特性的数值模拟分析

为了研究水热管内腔里的温度均匀性,进行了水热管内腔的温度场和速度场的数值模拟。建立了包括管壁、吸液芯及内腔里的液体水和水蒸气3个耦合传热区域的水热管数理模型,采用VOF模型对水热管内部的流动与传热传质过程进行了数值模拟分析,得到了水热管稳定运行时的温度场和速度场分布,并探讨了加热温度、加热段长度和充液量等参数对热管内腔温度场分布的影响规律,计算结果与实验结果的对比结果表明两者能够较好吻合。本文研究结果可为水热管的设计、运行和改进提供理论依据和参考。     

套管换热器多场耦合动态响应数值模拟

将管壳程流体与换热管相结合,阐述了套管换热器耦合界面物理量传递关系、多场耦合关键问题和计算流程,建立套管换热器多场耦合数值模型,该模型涉及多物理场计算、多界面耦合和多参数迭代收敛的数值模拟,同时研究了套管换热器多场耦合动态响应。数值模拟表明:界面载荷、位移、热量、温度、传热系数和湍流频率呈现周期性响应规律,界面流体载荷具有阻止换热管加速和减速运动的特征。     

单环路液氢温区脉动热管高充液率工况计算流体动力学（CFD）模拟

针对液氢温区单环路脉动热管建立了二维数值模型,分析了80%充液率条件下脉动热管不同阶段的流动及传热特性。在本研究中,流体体积函数（VOF）方法被用于追踪气液相界面,恒热通量和恒温分别作为蒸发段和冷凝段的边界条件,蒸发段的加热量逐渐从0.27W增加到1W。模拟的传热热阻与实验值的误差不超过15%,验证了模型的有效性。同时得到了脉动热管初始阶段的气液分布与压力分布,通过气体体积分数云图分析了启动阶段气塞的运动,结果显示在本研究中工质经过两次循环完成启动,根据工质流动方向的变化每次循环又可以分为三种流动方式。进入稳定阶段后,脉动热管内的工质主要呈顺时针循环流动,蒸发段的壁面温度呈周期性的振荡。在加热量较低时,温度振荡频率较低,传热热阻较大;随着加热量的增加,振荡频率增加并趋于稳定,热阻先减小而后不变。     

热管式降膜吸收器的传热传质

对热管式降膜吸收顺溶液吸收传热传质并通过热管移出吸收热的过程进行了数值研究，根据所建立的数学模型，通过求解热管加热段外壁面溶液波动降膜的动态二维偏微分方程和热管传热方程，研究了膜雷诺数，低位余热温度，输出温度等因素对传热管质过程的影响，对进一步工作提出了新的见解。     

Experimental Study on the Heat Transfer Enhancement of Oscillating-Flow Heat Pipe by Acoustic Cavitation

Experimental investigations on the heat transfer characteristics of an oscillating-flow heat pipe with acoustic cavitation in comparison with the ordinary oscillating-flow heat pipe are given in this article. The experimental results showed that the heat transfer rate of an oscillating-flow heat pipe with an acoustic cavitation field imposed on the evaporator section was higher than that without a cavitation field by 8–24.5%. It has been proved that acoustic cavitation can enhance the heat transfer performance of an oscillating-flow heat pipe. However, for the case of acoustic cavitation applied on the condenser section, not all ultrasonic fields applied were effective, and the heat transfer rate increased from ?39 to 77%. Further discussion on the experimental results is provided.     

液氮温区Ω形轴向槽道热管的启动特性与传热性能

基于空间深低温热传输需求设计了一套带有常温储气库的氮工质Ω形轴向槽道热管,并对其启动特性和传热性能进行实验研究,对比了槽道热管在不同充液率和放置角度下的传热性能。结果发现：热管在常温下启动迅速,绝热段及蒸发段在冷凝段降温至液氮温区后可以在短时间内降温,热管均温性良好。槽道热管能够在70~110K温度范围内高效传热,热阻随运行温度和热负荷的上升而减小。热管的充液率为100%时其传热性能最优,过大或过小会使得热管传热性能下降。储气库结构可以减小热管工作温度变化对其充液率的影响,利于其在更大的温度范围内获得更好的传热性能。热管的放置形态对其传热性能有显著影响,不同的放置形态会影响热管的传热极限和传热热阻。当热源处于蒸发段管线下端时性能最优,最大传输功率为45W,热阻最低为0.31K/W。