相变发汗冷却的数值模拟

作者:吴晓敏;莫少嘉;胡珊;姜培学;王维城 刊名:工程热物理学报 上传者:王彦里

【摘要】以火箭发动机燃烧室相变发汗冷却为背景,对水在流过横截面为50mm×10mm的铜管中充满直径为0.4mm孔隙率为0.31的不锈钢珠多孔介质时沸腾换热现象进行数值模拟。研究了重力角度、无重力条件下多孔介质的导热系数以及内部缺陷对沸腾换热的影响。结果表明,重力角度、多孔介质导热系数及内部缺陷均影响多孔介质中的沸腾换热:重力与入口流呈0°时角度效应最大,近壁温度随导热系数的减小而降低,内部缺陷导致温度分布改变。

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O目U舀多孔介质中的沸腾现象常出现于发汗冷却、高温干燥以及紧凑式换热器、电子器件冷却、航空用热泵中。由于多孔介质中气液相变现象非常复杂,对此现象研究起步较晚,无论是理论还是实验研究都较少,尤其是对其物理机理,有待于进一步的探讨和研究。本文以火箭发动机燃烧室相变发汗冷却为背景,建立了数值模拟模型,研究了重力角度、无重力条件下不同介质导热系数以及存在实心和空心两种内部缺陷时,对沸腾换热的影响。并在其内部流动,在靠近壁面的地方被加热发生相变蒸发并带走热量,从而达到冷却壁面的目的。为了模拟该发汗冷却过程,本文建立的简化模型如图1所示。模型为长50mm,宽10mm的二维长方形多孔介质通道,95“C的近饱和水从上方流入,左右两侧流出,下方加热。多孔介质为颗粒直径0.4mm,平均孔隙率0.31的不锈钢珠堆积床。采用等壁温边界条件加热壁面,温度为500K。PorousmediautO1模拟对象在火箭发动机燃烧室中,高温燃气在舱内流动并加热壁面,壁面为多孔介质,冷却剂被注入多孔介质,图1数值模拟物理模型Fig.1Numeriealsimulationmodel1532工程热物理学报32卷采用四边形网格对计算区域进行了划分,网格数量为5000。,并进行了网格无关性验证。计算中用到的热物性值见表1。的掺混,增加热量的传递,对堆积床中受迫对流换热产生重要的影响。所以Kwong和smith!7]提出了考虑上述两方面影响的“有效导热系数”来表征多孔介质的导热系数:表1计算中所用到的热物性值Table1ThermalPhysiealProPertiesused入eff=入st。+彻(3)insimulation材料口入‘。kg/m3W/(,rlK).J/(kgK)固体颗粒不锈钢珠流体水水蒸气掣IUUU0.55420.60.026146041822014其中,入、。为滞止导热系数,表征单纯固体骨架导热影响,采用Zehener一Schlunder颗粒之间点接触的滞止导热系数模型[sj。而入d为热弥散导热系数,表征骨架的存在对流体掺混的影响。利用Fluerlt软件,采用MMM多相流模型,设置入口为速度入口,出口处为压力出流,加热壁面设置为等壁温边界条件。模拟采用PHASECOUPLESIMPLE压力一速度藕合方法。2数学模型2.1变孔隙率模型Benenati[‘{和Jiang[2]等的测量表明,近壁面区多孔介质的孔隙率大于内部区域,即所谓的“狭缝效应”。该效应可以由Nishimllra网等提出的变孔隙率模型表示::二:oo【1+(:切/:oc一l)exp(一Nl(军。一军)/d。)}(1)其中,Nl为经验常数,YIMz[a]认为当Nl取6时模拟结果与实验结果比较接近。:oo为远离壁面的孔隙率,氛为壁面孔隙率,对于烧结多孔介质,.Jiall沙}和Nishimura[3]认为气一0.8为宜。2.2相变模型流体被加热到沸点以后,会从液相变为汽相。为了模拟汽液两相流中的质量传递,采用Lee传质模型[s],即假设相变在压力不变的准静态热平衡即饱和温度下质量发生传递。该模型表征了相间的质量传递。由质量守恒,将在传输过程中各相质量之和恒定作为源项引入到液态水和蒸汽的体积比例方程中。此外,考虑到在传质过程中同时有吸收与释放热量的过程,而这部分热量体现在潜热上,故也需在能量方程的源项中引入表征相变过程中传递的热量:注=r爪(2)其中,r为汽化潜热。2.3有效导热系数模型多孔介质中的传热主要包括固体骨架(颗粒)之间导热以及颗粒与流体间的对流换热等,而且Hsll等[e]发现多孔结构会使在其中流动的流体产

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