热管换热器耦合源模型及其场协同分析

摘要:讨论了热管换热器冷、热端共轭传热特性。根据热管内部相变传热特性,以热管内蒸汽温度作为独立变量,利用冷凝段与蒸发段热量守恒关系,将热管换热器分解成2个独立部分进行分析。针对热管壁面、冷端耦合传热特性,应用耦合源模型,借助Fluent软件计算热管换热器内流动与传热过程,并采用场协同原理对模拟结果进行分析。结果表明耦合源模型能够有效用于热管换热器、及类似结构的性能分析;耦合源模型与场协同原理结合是解决热管换热器等耦合传热及优化问题的有效方法。
热管是人们所熟知的最有效的传热元件之一,可以将大量热量通过很小的截面积、远距离、而无需外加动力地传输。许多国家的科研机构、大学和公司进行了大量的实验和理论研究工作,热管在许多工业部门已经得到了广泛应用,例如Majideian[1]将热管换热器应用于医院的废热回收。近年来,热管换热器在太阳能综合利用、电子散热等新型高效领域开展广度和深度的研究。随着热管换热器的广泛应用,传统的热管换热器计算模型:常规计算法、离散计算法以及定壁温计算法,在优化过程也在逐渐开展。如陈丹[2]提出采用离散型计算模型,运用有效度-传热单元数法,通过多次迭代对高温热管换热器内温度场和速度分布进行模拟的方法;候祺棕[3]也采用类似方法开展中温热管空气换热器的研究工作。
在热管换热器的理论研究领域,也出现多种解决实际情况的模型。桑芝富[4]等采用有限元方法对热管加热或冷却固体介质区域的情况,进行理论分析并提出优化方案。赵蔚琳[5]提出“热管翅”模型,开展高温热管翅性能及其强化传热过程的研究。孙世梅[6]利用数值模拟方法研究了管内温度场协同[7-9]作用,开展高温热管换热器强化传热及结果优化模拟研究,开拓强化传热的新思路。
在热管换热器的流动与传热过程中,热管内发生相变传热过程,耦合作用非常复杂[10-13]。文献[14]指出,加热段热流密度和饱和蒸汽温度或饱和蒸汽压力为热管的独立条件,因此应用饱和蒸汽温度,将热管分解成两个相互关联的独立计算体。同时,在其中任意一个计算区域内,热管的热边界条件无法预先规定,而受到流体与壁面之间相互作用的制约,由热量交换过程动态地加以决定,为耦合传热问题;热管传热特性也受到流动特性的影响。
热管换热器与普通换热器类似,黄德斌[15-16]对气流横向冲刷管束换热这种比较复杂的流动形式,推导了气流横向冲刷管束换热时的Nu数与场参数的关系式,用场协同原理解释了管排方式和管间距对换热的影响。
本文借助耦合传热方法,建立耦合源模型分析热管换热器传热特性,运用Fluent软件进行求解,应用场协同原理对热管换热器传热特性进行量化分析。结果表明耦合源模型能够为类似热管换热器等耦合传热过程提供指导意义,同时场协同原理的应用也为热管换热器过程优化拓宽新的思路。
1·耦合源模型
通过对热管换热器一个流体腔体的计算可以获得整个热管换热器的运行规律;同时热管加热段的传热关联式相对复杂,而凝结段关联式研究比较成熟,因而在计算过程中以冷流体通道为计算区域。如果固体区域内部存在一个稳定热源,那么热源产生的热量将源源不段释放出来,才能满足总体能量守恒关系。将热管区域看成是一个固体区域在固体区域内添加与热管实际放热量相当的热源项,可以解决热管壁面能量守恒关系。在整个固体区域对源项积分,并将凝结传热关系式应用到耦合界面,得到: