R134a在微小通道内的流动沸腾换热特性研究

摘要

随着电子设备的微型化，使得对微尺度换热设备的应用更加广泛，微通道及微小通道内的流动沸腾换热的传热机理的研究越来越被人们重视。本文采用数值模拟方法研究了R134a在微小通道内的沸腾换热特性。为R134a在微小通道内的沸腾换热特性提供理论依据。
　　本文采用CFX软件对微小通道内的气液相变流动进行了研究。通过建立微小矩形通道的三维数值模型，分析了通道的尺寸、进口质量流速、壁面热流密度对通道内主流体沿程温度分布、截面含汽率、换热系数等的影响。通过Ja、Bo、Re数等无量纲量分析了影响制冷工质流动沸腾换热特性。分析了质量流速和壁面热流密度对汽化核心密度的影响。主要工作及结论如下:
　　1.在相同热流密度和进口质量流速下，本文所研究的三种尺寸通道（2mm×1mm，2mm×2mm，2mm×3mm）中，2mm×1mm通道内流体温度最先达到饱和温度，随着通道截面尺寸的增加，饱和温度起始点会向下游移动。三种通道下，当主流体温度接近饱和温度后，流道中开始产生气相，主流体温度逐渐上升并略超过饱和温度，此时截面含汽率急剧增加，主流体温度开始回落，最终稳定在饱和温度。
　　2.所研究的三种尺寸通道中，随着截面尺寸的减小，2mm×1mm通道内流体最先汽化，截面积越大，气化起始点越滞后。
　　3.着重分析了Ja、Re、Bo数对通道内R134a沸腾换热的影响。在本研究的工况范围内，由于蒸发换热起主导作用，Re对壁面平均换热系数的影响不大。随着壁面热流密度(q)的增加，Ja和换热系数h均增加，说明气泡的产生强化了传热。三组槽道的换热系数h均随着沸腾数Bo的增加而增加，说明随着热流密度的增加，换热效果得到了加强，同时说明核态沸腾起主导作用。
　　4.还研究了三种通道内汽化核心密度与质量流速与壁面热流密度的关系。在本文的研究范围内，汽化核心密度会随着质量流速的增加略微减小。三种通道内，汽化核心密度(N)随着热流密度(q)的增加而上升。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 微通道的应用

1．2 国内外研究进展

1．2．1 微通道内流动的研究进展

1．2．2 微通道中流动沸腾换热研究现状

1．3 分析与展望

1．4 主要研究内容

第二章 两相流理论基础

2．1 计算流体力学(CFD)概述

2．1．1 CFD简介

2．1．2 CFD工作流程

2．1．3 CFX软件介绍

2．2 ICEM常用网格分类

2．3 数值解法简介

2．3．1 有限差分法

2．3．2 有限元法

2．3．3 有限体积法

2．4 两相流基本参数与基本方程简介

2．4．1 两相流的质量流量和质量流速

2．4．2 容积流量、流速

2．4．3 相对速度和滑速比

2．4．4 空泡率

2．4．5 质量气流率、容积气流率和质量含气率

2．4．6 两相流基本方程

2．5 流动沸腾特性

2．5．1 流动沸腾机理

2．5．2 流动沸腾传热特性

2．6 本章小结

第三章 微小通道内流动沸腾换热的数值模拟

3．1 研究方法验证

3．1．1 实验回路及试验段

3．1．2 数值模拟计算

3．1．3 数值模拟结果与实验结果对比

3．2 研究模型的建立

3．2．1 几何模型

3．2．2 数学模型

3．2．3 壁面沸腾模型

3．2．4 湍流模型

3．3 网格划分

3．3．1 ICEM简介

3．3．2 网格无关解

3．4 边界条件

3．5 研究工况

3．6 其他求解控制参数

3．7 计算结果后处理

3．8 本章小结

第四章 微通道内制冷工质流动沸腾换热特性分析

4．1 通道尺寸的影响

4．1．1 截面温度的变化趋势

4．1．2 截面气液相分布图

4．1．3 通道对截面含汽率的影响

4．2 热流密度对截面含汽率的影响

4．3 影响制冷工质流动沸腾换热特性的因素

4．3．1 Bo数对传热系数的影响

4．3．2 Ja数对传热系数的影响

4．3．3 Re数对传热系数的影响

4．4 并联通道对沸腾换热的影响

4．5 本章小结

第五章 通道内的汽化核心密度的研究

5．1 汽化核心密度与沸腾换热的关系

5．2 汽化核心密度

5．3 汽化核心密度公式

5．4 影响汽化核心密度的参数

5．4．1 热流密度对汽化核心密度的影响

5．4．2 质量流速对汽化核心密度的影响

5．4．3 通道尺寸对汽化核心密度的影响

5．5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢