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【6h】

填充泡沫金属小通道内沸腾传热及气泡动力学数值模拟

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目录

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 泡沫金属建模的研究

1.2.2 沸腾传热特性的研究

1.2.3 气泡动力学行为的研究

1.2.4 涡流对传热影响的研究

1.3 国内外研究存在的主要问题

1.3.1 国内外研究取得的成果

1.3.2 存在的不足或有待于深入研究的问题

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 泡沫金属数值模型建立与验证

2.1 泡沫金属物理模型构造

2.1.1泡沫金属结构特性

2.1.2泡沫金属模型重构分类

2.1.3泡沫金属几何模型

2.1.4网格划分与边界条件

2.2 数值模型

2.2.1多相流模型

2.2.2相变模型

2.2.3湍流模型

2.3 计算设置与求解策略

2.4 模型验证

2.4.1 网格无关性验证

2.4.2 数据比对

2.5 本章小结

第3章 气泡动力学对传热效果的影响

3.1 泡沫金属气泡生长受力分析

3.2 气泡运动对传热效果的影响

3.3 气泡行为统计对传热性能的影响

3.3.1 气泡数量对传热性能的影响

3.3.2 气泡面积的对传热性能的影响

3.4 本章小结

第4章 管内涡流对传热性能的影响

4.1 涡流场参数对传热性能的影响

4.1.1 传热性能随时间的变化

4.1.2 入口速度对传热性能的影响

4.1.3 加热温度对传热性能的影响

4.2 湍动能对传热性能的影响

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

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摘要

随着现代科技的快速发展、工艺制造水平的提高和生产的实际需要,人类认识的焦点已经从宏观尺寸过渡到介观、微观层面。泡沫金属因其特有的多孔介质骨架结构,具有高空隙率、高导热系数等特点。目前泡沫金属强化沸腾换热研究主要集中在池沸腾以及小尺度通道沸腾换热的实验观测,通过实验数据、高速摄像仪拍摄,获得理论计算公式及气泡运动行为。然而,由于泡沫金属的结构复杂,填充泡沫金属小管道内气液相变强化换热机理以及管内气泡动力学行为研究尚不明晰。本论文以现有泡沫金属强化沸腾换热研究为基础,结合泡沫金属孔隙结构特点,分析填充泡沫金属小通道沸腾换热机理,研究并统计沸腾过程产生的气泡动力学行为,指出管内涡流、湍动能同传热性能之间的关系。具体研究内容包括: (1)建立了填充泡沫金属小通道数值模型。应用正十四面体单元晶格叠加排列获得泡沫金属结构,取中央二维截面进行模拟计算,并对模型进行网格无关性验证。结合实验验证,该模型的沸腾换热系数与实验结果具有较好的一致性,误差控制在±20%以内。 (2)运用Fluent软件对常规空管与填充泡沫金属小通道内R141b气液两相流流动沸腾过程进行数值模拟。利用CLSVOF(Couple Level-Set and Volume of Fluid)多相流模型,结合Lee相变模型编制自定义函数(UDF)模拟传热传质过程。模拟壁面加热温度范围为350K-450K,流体速度为0.01m/s-0.10m/s。 (3)观察不同条件、不同时间下两种不同管道内的沸腾换热现象,统计不同时刻下的气泡数量及气泡平均面积,分析气泡动力学、涡流与湍动能对强化传热的影响。 研究结果表明,常规空管内气泡运动范围广,产生面积大、数量小的涡流;而泡沫金属孔隙间气泡运动范围变窄,分布集中,产生面积小、数量多的涡流,增加流体混合频率,加强冷热流体间热交换,因此能加大管内换热系数。随着温度的升高,填充泡沫金属管道内气泡数量逐渐增多,而常规空管内气泡数量先增加后减少;随着速度的增大,填充泡沫金属管道内气泡数量逐渐增多,常规空管内气泡数量先增多后变化趋势不明显。填充泡沫金属小通道内换热系数与气泡平均面积呈反比,与气泡数量呈正比。依据湍动能随时间的变化是衡量涡流生长或衰弱的指标,本文比较了湍动能随时间变化的一阶微分k’与换热系数之间的关系,发现k’曲线与填充泡沫金属通道的换热系数协同变化,可以用以预测填充泡沫金属通道的换热系数的变化趋势。

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