分离式热管蒸发段沸腾换热数值模拟研究

摘要

分离式热管换热器的蒸发段和冷凝段分开安放的形式，既可以实现热量的远距离传送，又有利于实现换热器的大型化，另外蒸发段、冷凝段面积比例可以按照需要进行调整，使得分离式热管在工程中得到了普遍地应用。本文基于非能动安全壳冷却系统(PassiveContainment Cooling System，PCCS)对分离式热管蒸发段流动和沸腾传热开展了研究。目前针对流动沸腾的工程设计问题最普遍的方法是采用经验或半经验关系式，而这种方法对几何尺寸和流动参数有一定的限制，因此设计者需要将关系式推广到超出其给定的有效范围，但这会导致较高的设计误差。
　　基于全CFD的分离式热管蒸发段相变传质传热模型和模拟是克服这些困难的有效手段，而且该研究方法能减少实验工作量，节约各项成本。目前管内流动沸腾数值模拟研究技术并没有很成熟，对热管内部传质传热细节的研究也较鲜见，因此，本文希望在已有研究基础上提出一个比较全面和综合的、包含分离式热管工作过程中两相对流、相变以及传热等所有特征的CFD模型，具体研究内容和主要结论如下:
　　(1)介绍了非能动安全壳冷却系统热管蒸发段沸腾换热数值模拟方法的建立，通过对现实问题的简化，随后建立几何模型并划分网格，确定边界条件及工况;采用VOF方法计算自由表面，CSF模型计算表面张力，耦合Lee模型实现了气-液两相间的质量传递，建立了两相流动沸腾数值模拟方法;对所建立模型进行网格的无关性检验，并把模拟结果和前人研究的经验关系式进行对比，验证了模型的可靠性。
　　(2)基于上述数值求解方法，模拟了垂直加热管中气泡的产生、生长、脱离及聚合等过程，并使用文献中的实验结果进行对比验证，其结果显示一致;分析了不同因素对蒸发管内两相流流型的影响，总结得到了流型转变规律。
　　(3)结合非能动安全壳冷却系统实际工况，对冷却热管蒸发段的换热情况进行了参数敏感性分析，阐明了换热和流型之间的关系，并得出以下结论:管径的增大导致沸腾换热系数的增大;初始充液率对沸腾换热的影响主要体现在平衡状态时，气液两相区占管长的比例;管外温度和蒸气凝结系数的增加会强化沸腾换热。

目录

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摘要

主要符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 分离式热管的工作原理及应用

1．3 传热机理概述

1．3．1 沸腾换热曲线

1．3．2 核态沸腾传热机理

1．3．3 流动沸腾概述

1．4 研究现状

1．4．1 气泡行为与两相流流型研究

1．4．2 分离式热管蒸发段流动沸腾传热特性研究现状

1．4．3 数值模拟研究

1．5 研究内容

第2章 数值模拟方法

2．1 模型建立

2．1．1 几何模型

2．1．2 网格划分

2．1．3 边界条件及工况

2．2 流动模型

2．3 VOF模型

2．3．1 体积分数方程

2．3．2 物性参数

2．3．3 动量方程

2．3．4 能量方程

2．3．5 表面张力

2．3．6 相界面附近的插值

2．4 相变模型

2．5 模型验证

2．5．1 网格无关性验证

2．5．2 数值方法有效性的验证

2．6 本章小结

第3章 流动沸腾中的气泡行为及气液两相流型

3．1 气泡生长规律

3．1．1 气泡生成与脱离

3．1．2 气泡的聚合

3．2 沸腾流动中气液两相流型分析

3．2．1 管径对流型的影响

3．2．2 初始充液率对流型的影响

3．2．3 管外温度对流型的影响

3．2．4 管外对流换热系数对流型的影响

3．3 本章小结

第4章 传热特性分析

4．1 参数敏感性分析

4．1．1 管径对传热系数的影响

4．1．2 初始充液率对传热系数的影响

4．1．3 安全壳内温度对于传热系数的影响

4．1．4 蒸发器外蒸气凝结换热系数对于传热系数的影响

4．2 传热机理分析

4．3 本章小结

第5章 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢