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第一章 绪论 1.1 课题背景和意义 1.1.1课题背景 随着社会的发展,能源问题己经日趋严重,节能的呼声也日益高涨.热管作为一种高效传热元件己经在各种热能综合利用场合得到了应用,并体现了巨大的优越性.在众多的传热元件中,热管是人们所知的最为有效的传热元件之一,它将大量的热通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力.除了传热效率高的优点之外,它还具有体积紧凑、重量轻、无噪声、没有传动部件等特点. 重力热管又称两相闭式热虹吸管(Two-Phase Closed Thermosyphon),是一种十分重要的热管,它依靠重力回流工作液,其壳体内壁无吸液芯结构,在重力场中,只要求把冷凝段置于蒸发段上方.与吸液芯热管相比较,它不仅结构简单,制造成本低廉,而且传热性能优良,具有较高的传热极限,工作十分可靠[1].已被用于许多不同的方面,其中包括防止多年冻土的融沉、通胀危害,确保路基工程的整体稳定;

涡轮叶片冷却;

热交换器[2];

湿度控制[3];

食品工业;

太阳能系统和电抗器等. 上世纪八十年代计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)开始迅速发展,经过近二十年的研究应用证实,它几乎可以求解最为复杂的流动现象,且周期短,造价低,不受实验条件限制,在工程上得到了广泛的应用.目前,借助CFD以及计算机技术几乎可以对包含流体流动现象、分子输运现象以及热交换现象等的所有问题进行分析和模拟,它作为一个有效的研究工具、设计工具在众多领域得到了认可. 1.1.2 研究意义 尽管重力热管已获得了日益广泛的应用,但由于其内部复杂的流动传热情况,迄今为止,人们对这种传热装置的认识还不够完善.重力热管内部流动为汽液两相流,流动中的工质会经历复杂的汽液两相转换过程,涉及到两相流动和沸腾冷凝等多种流动和传热机理,是一个复杂的传热系统.关于重力热管内流动状态与传热特性,尽管国内外学者都进行了大量的实验和理论研究,至今仍未得到圆满解决.建立数学模型是研究热管传热性能和内部工质的流动过程的一种重要的方法,它可以深入到传热机理的核心,为热管的各种运行工况提供较为可靠的预测,为热管的设计和应用提供依据.由此,对重力热管传热与流动性能进行数值模拟是非常有必要的.通过CFD模拟计算设备内部的流体流动情况,可以研究设备性能,从而改进并使其更好地工作,降低建筑能耗,节省运行费用. 1.2 重力热管及其传热与流动的CFD模拟的发展历史 1.2.1 重力热管的发展历史 热管到目前为止,已经有150多年的发展历史,经历了三个发展阶段,重力热管[4]是热能工程中应用最广泛的一种热管.它可以不用管芯,而是利用凝结段液态工质自身重力沿热管内壁下流到蒸发段(汽化段).热管的概念首先由美国俄亥俄洲通用汽车公司的R.S.Gaugler于1944年在美国专利(No.2350348)中提出的.他当时想法是:液体在某一位置上吸热蒸发,而后在它下方的某一位置放热冷凝,不附加任何动力而使冷凝的液体再回到上方原位置上继续吸热蒸发,如此循环,达到热量从一个地点传送到另一个地方的目的.Gauler所提出的第一个专利是一个冷冻装置,如图1-1所示. 图1-1 Gaugler 1994年的专利设备 插在小室中的热管吸收外界热量使热管内部的工作液体汽化,蒸汽在管内流向小室下方的碎冰盘,并在那里冷凝和放出热量.冷凝后的工作液体借助于管内的毛细吸液芯所产生的毛细抽吸力输送到上端,继续吸收热量汽化,如此循环达到制冷的目的.Gauler所提出的吸液芯是采用烧结的铁粉制成的. 热管发展的第一个阶段为简单的两相热虹吸管一一帕金斯管(Perkins tube)阶段,1836年雅各布・帕金斯(J.Perkins)发明了帕金斯管,这是一种两端封闭、其中充有少量水的管子.工作时管子一端插在高温烟气或火中,另一端插在水中,依靠其内部工质――水的沸腾和凝结传递热量.由于管内空气未抽除,所以传热性能较差.1863年帕金斯管得到了工业应用,用于法国的一台机车锅炉及其火箱过热器中;