分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱特性的數(shù)值模擬與分析一、緒論1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源需求持續(xù)攀升，能源問題已成為世界各國(guó)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭以及其使用帶來的環(huán)境污染問題，使得提高能源利用效率、開發(fā)可再生能源和節(jié)能技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。在眾多的節(jié)能與傳熱強(qiáng)化技術(shù)中，熱管技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)脫穎而出，成為了研究的熱點(diǎn)。熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，其工作原理基于工質(zhì)的相變過程，能夠在較小的溫差下實(shí)現(xiàn)高效的熱量傳遞。自20世紀(jì)60年代被發(fā)明以來，熱管技術(shù)憑借其等溫性好、傳熱效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，在電子、能源、航空航天、化工、動(dòng)力等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在電子設(shè)備散熱中，熱管可有效解決芯片等發(fā)熱部件的散熱問題，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行；在太陽能利用領(lǐng)域，熱管式太陽能熱水器能高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，提高太陽能的利用效率；在工業(yè)余熱回收方面，熱管換熱器可回收工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢熱，實(shí)現(xiàn)能源的二次利用，降低能耗。分離式熱管作為熱管的一種重要類型，其蒸發(fā)段和冷凝段相互分離，通過蒸汽上升管和液體下降管連接，形成一個(gè)自然循環(huán)回路。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得分離式熱管具有許多整體式熱管無法比擬的優(yōu)勢(shì)，如可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳熱、能適應(yīng)復(fù)雜的安裝環(huán)境、便于維護(hù)和檢修等。在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要將熱量從一個(gè)區(qū)域傳遞到較遠(yuǎn)的另一個(gè)區(qū)域，或者在空間受限、環(huán)境復(fù)雜的情況下進(jìn)行換熱，分離式熱管的這些優(yōu)勢(shì)使其成為理想的選擇。蒸發(fā)段作為分離式熱管的關(guān)鍵部件之一，其沸騰換熱性能直接影響著整個(gè)熱管的傳熱效率和工作穩(wěn)定性。在蒸發(fā)段，工質(zhì)吸收外界熱量后發(fā)生沸騰相變，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，這個(gè)過程伴隨著復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象。深入研究分離式熱管蒸發(fā)段的沸騰換熱特性，對(duì)于優(yōu)化熱管設(shè)計(jì)、提高熱管性能具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論研究角度來看，盡管目前對(duì)于沸騰換熱現(xiàn)象已經(jīng)開展了大量的研究工作，但由于沸騰過程涉及到復(fù)雜的汽液兩相流、界面現(xiàn)象以及傳熱傳質(zhì)耦合等問題，其內(nèi)在機(jī)理尚未完全被揭示。分離式熱管蒸發(fā)段的沸騰換熱過程又具有自身的特點(diǎn)，如工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)、充液率、熱流密度、蒸發(fā)段的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)等因素都會(huì)對(duì)沸騰換熱性能產(chǎn)生顯著影響。因此，對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱進(jìn)行深入的理論研究，有助于進(jìn)一步完善沸騰換熱理論體系，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供理論支持。在實(shí)際應(yīng)用方面，高效的蒸發(fā)段沸騰換熱性能能夠顯著提高分離式熱管的傳熱能力，從而提升整個(gè)換熱系統(tǒng)的效率。在能源領(lǐng)域，這意味著可以更有效地回收和利用余熱，減少能源浪費(fèi)，降低能源消耗。以工業(yè)余熱回收為例，通過優(yōu)化分離式熱管蒸發(fā)段的設(shè)計(jì)，提高其沸騰換熱性能，能夠?qū)⒏嗟墓I(yè)廢熱轉(zhuǎn)化為可用能源，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時(shí)也有助于減少溫室氣體排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有積極意義。在電子設(shè)備散熱中，良好的沸騰換熱性能可以確保熱管及時(shí)有效地將芯片產(chǎn)生的熱量傳遞出去，防止芯片過熱，提高電子設(shè)備的可靠性和使用壽命。在航空航天領(lǐng)域，對(duì)于分離式熱管的性能要求更為苛刻，提高蒸發(fā)段沸騰換熱性能可以減輕設(shè)備重量，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，滿足航空航天設(shè)備對(duì)高性能、輕量化的需求。1.2分離式熱管概述1.2.1工作原理分離式熱管的工作基于工質(zhì)的相變傳熱原理，其基本工作過程如下：在蒸發(fā)段，工質(zhì)吸收外部熱源傳遞的熱量。當(dāng)熱量達(dá)到一定程度時(shí)，工質(zhì)的溫度升高至沸點(diǎn)，開始發(fā)生沸騰相變，從液態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。這個(gè)過程中，工質(zhì)吸收大量的汽化潛熱，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外部熱量的高效吸收。產(chǎn)生的蒸汽在壓差的作用下，沿著蒸汽上升管快速傳輸。由于蒸汽上升管的通道設(shè)計(jì)以及蒸汽自身的高壓力和低密度特性，蒸汽能夠在較小的阻力下迅速流向冷凝段。在這個(gè)過程中，蒸汽幾乎不與外界進(jìn)行熱量交換，能夠保持較高的溫度和能量狀態(tài)。到達(dá)冷凝段后，蒸汽與溫度較低的冷卻介質(zhì)（如空氣、水等）進(jìn)行熱交換。蒸汽將自身攜帶的汽化潛熱傳遞給冷卻介質(zhì)，自身溫度降低并發(fā)生凝結(jié)相變，重新轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。這個(gè)過程中，蒸汽的熱量被有效地傳遞出去，實(shí)現(xiàn)了熱量從高溫區(qū)域到低溫區(qū)域的轉(zhuǎn)移。冷凝后的液態(tài)工質(zhì)，在重力或其他驅(qū)動(dòng)力（如毛細(xì)力、壓差等）的作用下，通過液體下降管回流至蒸發(fā)段。液體下降管的設(shè)計(jì)確保了液態(tài)工質(zhì)能夠順利回流，為下一次的蒸發(fā)循環(huán)提供充足的工質(zhì)。在整個(gè)循環(huán)過程中，工質(zhì)不斷地在液態(tài)和氣態(tài)之間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了熱量的連續(xù)高效傳遞。1.2.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分離式熱管主要由蒸發(fā)段、冷凝段、蒸汽上升管和液體下降管組成。蒸發(fā)段和冷凝段相互分離，各自獨(dú)立安裝在不同的位置，這種分離式的設(shè)計(jì)使得熱管能夠適應(yīng)復(fù)雜的空間布局和遠(yuǎn)距離傳熱的需求。例如，在工業(yè)余熱回收中，蒸發(fā)段可以安裝在高溫余熱源附近，而冷凝段則可以安裝在遠(yuǎn)離余熱源的能量利用設(shè)備處，實(shí)現(xiàn)熱量的遠(yuǎn)距離傳輸和有效利用。蒸汽上升管和液體下降管連接著蒸發(fā)段和冷凝段，形成一個(gè)封閉的循環(huán)回路。蒸汽上升管用于將蒸發(fā)段產(chǎn)生的蒸汽輸送到冷凝段，其管徑和長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)需要考慮蒸汽的流量、流速以及壓力損失等因素，以確保蒸汽能夠順利傳輸。液體下降管則用于將冷凝段的液態(tài)工質(zhì)回流至蒸發(fā)段，為保證液態(tài)工質(zhì)的順利回流，液體下降管通常需要具有一定的坡度，利用重力作用使液態(tài)工質(zhì)自然回流。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，能夠?qū)崿F(xiàn)冷、熱流體的遠(yuǎn)距離換熱，避免了冷熱流體直接接觸帶來的交叉污染和泄漏問題。同時(shí)，由于蒸發(fā)段和冷凝段相互獨(dú)立，便于進(jìn)行維護(hù)和檢修，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。此外，分離式熱管的結(jié)構(gòu)還具有較強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)和安裝，適應(yīng)不同的工作環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景。1.2.3應(yīng)用領(lǐng)域分離式熱管憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在電力行業(yè)，常用于鍋爐余熱回收系統(tǒng)。通過在鍋爐尾部煙道安裝分離式熱管換熱器，將煙氣中的余熱傳遞給鍋爐給水或空氣，提高鍋爐的熱效率，降低能源消耗。例如，某電廠采用分離式熱管余熱回收裝置后，鍋爐熱效率提高了3%-5%，每年可節(jié)約大量的煤炭資源，同時(shí)減少了煙氣排放對(duì)環(huán)境的污染。在化工領(lǐng)域，可應(yīng)用于蒸餾塔、反應(yīng)器等設(shè)備的熱量回收和溫度控制。例如，在化工蒸餾過程中，分離式熱管可以將塔頂蒸汽的余熱回收利用，預(yù)熱塔底進(jìn)料，降低蒸餾過程的能耗，提高生產(chǎn)效率。此外，在一些化學(xué)反應(yīng)器中，分離式熱管還可以用于控制反應(yīng)溫度，確保反應(yīng)的順利進(jìn)行，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在太陽能利用方面，分離式熱管常用于太陽能熱水器和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。在太陽能熱水器中，分離式熱管將太陽能集熱器吸收的熱量傳遞到水箱中，實(shí)現(xiàn)水的加熱。其良好的傳熱性能和抗凍性能，使得太陽能熱水器在不同的氣候條件下都能穩(wěn)定運(yùn)行。在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，分離式熱管可以將太陽能集熱器收集的熱量傳遞到發(fā)電裝置中，提高發(fā)電效率，降低發(fā)電成本。在電子散熱領(lǐng)域，隨著電子設(shè)備的集成度不斷提高，散熱問題成為制約其性能和可靠性的關(guān)鍵因素。分離式熱管由于具有高效的傳熱性能和靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的散熱。例如，在計(jì)算機(jī)CPU散熱、服務(wù)器散熱以及LED照明散熱等方面，分離式熱管都能夠有效地將熱量傳遞出去，保證電子設(shè)備的正常運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。1.3沸騰換熱研究現(xiàn)狀1.3.1沸騰換熱基本理論沸騰換熱是一種極為復(fù)雜且常見的相變傳熱現(xiàn)象，在眾多工業(yè)過程和日常生活中都扮演著關(guān)鍵角色。當(dāng)液體與溫度高于其飽和溫度的壁面接觸時(shí)，液體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氣泡，這些氣泡在成長(zhǎng)、脫離壁面的過程中，實(shí)現(xiàn)了熱量從壁面向液體的高效傳遞，這便是沸騰換熱的基本過程。大容器飽和沸騰曲線是描述沸騰換熱特性的重要工具，它清晰地展示了不同沸騰階段的特點(diǎn)和規(guī)律。在自然對(duì)流階段，液體的運(yùn)動(dòng)主要由自然對(duì)流引起，傳熱主要依靠液體的導(dǎo)熱和對(duì)流作用。隨著壁面過熱度的逐漸升高，氣泡開始在壁面上少量生成，此時(shí)進(jìn)入核態(tài)沸騰起始點(diǎn)。在核態(tài)沸騰階段，氣泡大量產(chǎn)生并迅速脫離壁面，這使得液體與壁面之間的換熱得到了極大的強(qiáng)化，傳熱系數(shù)和熱流密度都迅速增加。當(dāng)熱流密度達(dá)到臨界熱流密度時(shí)，核態(tài)沸騰達(dá)到鼎盛狀態(tài)，此時(shí)壁面上的汽化核心數(shù)最多，氣泡的生成和脫離最為劇烈。然而，隨著熱流密度繼續(xù)增大，氣泡的產(chǎn)生速度過快，導(dǎo)致它們?cè)诒诿嫔暇奂纬烧羝?，這層蒸汽膜具有較高的熱阻，使得傳熱系數(shù)急劇下降，熱流密度也隨之減小，進(jìn)入過渡沸騰階段。在膜態(tài)沸騰階段，壁面完全被蒸汽膜覆蓋，熱量主要通過蒸汽膜的導(dǎo)熱和輻射傳遞，傳熱系數(shù)相對(duì)較低。核態(tài)沸騰的傳熱機(jī)理主要基于汽化核心的形成和氣泡的動(dòng)力學(xué)行為。液體中的汽化核心通常是由液體中的微小雜質(zhì)、壁面的粗糙度等因素形成的。當(dāng)壁面溫度高于液體的飽和溫度時(shí)，汽化核心周圍的液體迅速汽化，形成氣泡。氣泡在成長(zhǎng)過程中，會(huì)受到浮力、表面張力、液體粘性等多種力的作用。這些力的相互作用決定了氣泡的形狀、大小和脫離頻率。例如，浮力使得氣泡向上運(yùn)動(dòng)，表面張力則試圖使氣泡保持球形，而液體粘性會(huì)對(duì)氣泡的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力。氣泡的頻繁生成和脫離，不斷擾動(dòng)液體，增強(qiáng)了液體與壁面之間的傳熱，從而使得核態(tài)沸騰具有較高的傳熱系數(shù)。流動(dòng)沸騰傳熱是在強(qiáng)制對(duì)流的基礎(chǔ)上，液體發(fā)生沸騰相變的傳熱過程。與大容器沸騰相比，流動(dòng)沸騰中液體的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)傳熱性能有著更為顯著的影響。在流動(dòng)沸騰中，根據(jù)液體的含汽率和流型的不同，可以分為不同的傳熱區(qū)域。在入口段，液體主要以單相形式流動(dòng)，傳熱方式主要為單相強(qiáng)制對(duì)流換熱。隨著熱量的不斷加入，液體開始沸騰，進(jìn)入泡狀流區(qū)域。在泡狀流中，氣泡分散在液體中，此時(shí)的傳熱不僅包括單相強(qiáng)制對(duì)流換熱，還包括氣泡的生成和脫離所引起的沸騰換熱。隨著含汽率的進(jìn)一步增加，氣泡逐漸聚并，形成彈狀流和環(huán)狀流。在環(huán)狀流中，液體在管壁上形成一層液膜，蒸汽則在中心區(qū)域流動(dòng)，熱量通過液膜的導(dǎo)熱和蒸汽與液膜之間的對(duì)流換熱傳遞。當(dāng)液膜被蒸干后，進(jìn)入干涸區(qū)域，此時(shí)傳熱主要依靠蒸汽與管壁之間的對(duì)流換熱和輻射換熱。在流動(dòng)沸騰過程中，液體的流速、質(zhì)量流量、熱流密度等參數(shù)都會(huì)對(duì)傳熱性能產(chǎn)生重要影響。較高的液體流速可以增強(qiáng)對(duì)流換熱，提高傳熱系數(shù)；而熱流密度的增加則會(huì)導(dǎo)致沸騰換熱的加劇，可能使傳熱性能先增強(qiáng)后減弱。1.3.2分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究許多學(xué)者針對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱展開了豐富的實(shí)驗(yàn)研究。這些研究涵蓋了多個(gè)方面，旨在深入探究影響蒸發(fā)段沸騰換熱性能的各種因素。充液率作為一個(gè)關(guān)鍵因素，對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段的換熱性能有著顯著影響。研究表明，當(dāng)充液率較低時(shí)，工質(zhì)無法完全覆蓋蒸發(fā)段的受熱面，導(dǎo)致有效換熱面積減小，從而使得換熱性能下降。例如，在某些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)充液率低于30%時(shí)，熱管的傳熱功率明顯降低，壁面溫度升高，這是因?yàn)椴糠质軣崦鏌o法與工質(zhì)充分接觸，熱量無法及時(shí)傳遞給工質(zhì)。隨著充液率的增加，工質(zhì)能夠更好地潤(rùn)濕受熱面，換熱性能逐漸提升。然而，當(dāng)充液率過高時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)液體分布不均的問題，過多的液體可能會(huì)在蒸發(fā)段底部積聚，阻礙蒸汽的上升，同樣會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱性能下降。一般來說，對(duì)于常見的分離式熱管，充液率在40%-60%之間時(shí)，能夠獲得較好的換熱性能。熱流密度也是影響蒸發(fā)段沸騰換熱的重要因素之一。在一定范圍內(nèi)，隨著熱流密度的增加，蒸發(fā)段內(nèi)的沸騰現(xiàn)象更加劇烈，氣泡的生成和脫離頻率加快，從而增強(qiáng)了換熱效果。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)熱流密度從10kW/m2增加到30kW/m2時(shí)，傳熱系數(shù)提高了約30%。這是因?yàn)檩^高的熱流密度提供了更多的能量，使得工質(zhì)能夠更快地汽化，形成更多的氣泡，這些氣泡在運(yùn)動(dòng)過程中不斷擾動(dòng)液體，促進(jìn)了熱量的傳遞。然而，當(dāng)熱流密度超過一定值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)臨界熱流密度現(xiàn)象，此時(shí)蒸發(fā)段內(nèi)會(huì)形成蒸汽膜，導(dǎo)致傳熱惡化。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要合理控制熱流密度，以確保分離式熱管的高效運(yùn)行。管徑對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱性能也有一定的影響。較小的管徑可以增加工質(zhì)與管壁之間的接觸面積，提高傳熱效率。同時(shí)，較小的管徑還可以增強(qiáng)液體的擾動(dòng)，促進(jìn)氣泡的生成和脫離。但管徑過小，會(huì)增加工質(zhì)的流動(dòng)阻力，導(dǎo)致壓力降增大，從而影響熱管的循環(huán)性能。相反，較大的管徑雖然可以降低流動(dòng)阻力，但會(huì)減少單位長(zhǎng)度內(nèi)的換熱面積，使得傳熱系數(shù)降低。例如，在對(duì)不同管徑的分離式熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管徑從10mm增加到20mm時(shí)，傳熱系數(shù)下降了約20%。因此，在設(shè)計(jì)分離式熱管時(shí)，需要綜合考慮管徑對(duì)傳熱性能和流動(dòng)阻力的影響，選擇合適的管徑。此外，蒸發(fā)段的結(jié)構(gòu)形式、工質(zhì)種類、傾斜角度等因素也被眾多學(xué)者納入研究范圍。不同的蒸發(fā)段結(jié)構(gòu)形式，如光滑管、螺紋管、微通道管等，其傳熱性能存在明顯差異。螺紋管和微通道管通過增加壁面的粗糙度和表面積，能夠有效強(qiáng)化沸騰換熱。工質(zhì)種類的選擇也至關(guān)重要，不同工質(zhì)具有不同的物理性質(zhì)，如沸點(diǎn)、汽化潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)等，這些性質(zhì)會(huì)直接影響熱管的換熱性能。例如，水作為一種常見的工質(zhì)，具有較高的汽化潛熱和導(dǎo)熱系數(shù)，在常溫常壓下能夠?qū)崿F(xiàn)較好的傳熱效果；而一些低沸點(diǎn)工質(zhì)，如乙醇、丙酮等，在低溫環(huán)境下具有更好的適應(yīng)性。蒸發(fā)段的傾斜角度會(huì)影響工質(zhì)的分布和流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響換熱性能。當(dāng)蒸發(fā)段處于水平狀態(tài)時(shí)，工質(zhì)的分布相對(duì)均勻，但可能會(huì)出現(xiàn)汽液分層現(xiàn)象；而當(dāng)蒸發(fā)段傾斜時(shí)，重力的作用會(huì)改變工質(zhì)的流動(dòng)方向，對(duì)換熱性能產(chǎn)生復(fù)雜的影響。通過對(duì)這些因素的研究，學(xué)者們?yōu)榉蛛x式熱管蒸發(fā)段的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了豐富的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論支持。1.3.3數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬在分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱研究中得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)值模擬方法能夠深入探究沸騰換熱過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，揭示其內(nèi)在的傳熱傳質(zhì)機(jī)理，為分離式熱管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的工具。在數(shù)值模擬中，常用的模型包括計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型、相場(chǎng)模型、格子Boltzmann模型等。CFD模型基于流體力學(xué)的基本方程，如連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，通過對(duì)這些方程進(jìn)行離散化求解，來模擬流體的流動(dòng)和傳熱過程。在模擬分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱時(shí)，CFD模型可以考慮工質(zhì)的相變、汽液兩相流的相互作用以及管壁與工質(zhì)之間的傳熱等因素。例如，采用VOF（VolumeofFluid）方法來追蹤汽液界面的位置，通過求解能量方程來計(jì)算溫度場(chǎng)，從而得到沸騰換熱過程中的各種參數(shù)分布。相場(chǎng)模型則是從微觀角度出發(fā)，將汽液界面視為一個(gè)具有一定厚度的過渡區(qū)域，通過引入相場(chǎng)變量來描述汽液兩相的分布和變化。該模型能夠較好地模擬氣泡的生成、生長(zhǎng)和合并等微觀過程，對(duì)于研究沸騰換熱的微觀機(jī)理具有重要意義。格子Boltzmann模型是一種基于介觀尺度的數(shù)值模擬方法，它將流體的運(yùn)動(dòng)看作是粒子在格子上的離散運(yùn)動(dòng)，通過求解格子Boltzmann方程來模擬流體的流動(dòng)和傳熱。該模型具有計(jì)算效率高、易于并行計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，在處理復(fù)雜邊界條件和多相流問題時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用這些數(shù)值模擬模型對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱進(jìn)行了深入研究，并取得了一系列有價(jià)值的成果。一些學(xué)者通過數(shù)值模擬研究了充液率對(duì)蒸發(fā)段沸騰換熱性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著充液率的增加，蒸發(fā)段內(nèi)的液體分布更加均勻，換熱面積增大，從而提高了傳熱系數(shù)。但當(dāng)充液率過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致液體在蒸發(fā)段底部積聚，阻礙蒸汽的上升，使得傳熱性能下降。這與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。還有學(xué)者通過數(shù)值模擬分析了熱流密度對(duì)沸騰換熱的影響。結(jié)果顯示，在低到中等熱流密度范圍內(nèi)，沸騰換熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而增大，這是由于熱流密度的增加促進(jìn)了氣泡的生成和脫離，增強(qiáng)了液體的擾動(dòng)。然而，當(dāng)熱流密度超過臨界值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象，這是因?yàn)檎羝さ男纬稍黾恿藷嶙?。此外，學(xué)者們還通過數(shù)值模擬研究了管徑、工質(zhì)種類、蒸發(fā)段結(jié)構(gòu)等因素對(duì)沸騰換熱性能的影響，為分離式熱管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的理論依據(jù)。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相互補(bǔ)充，共同推動(dòng)了分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱研究的發(fā)展。數(shù)值模擬能夠彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究在測(cè)量手段和條件限制方面的不足，提供更加詳細(xì)和全面的信息；而實(shí)驗(yàn)研究則可以驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，為數(shù)值模擬提供可靠的邊界條件和驗(yàn)證數(shù)據(jù)。未來，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，以及計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，數(shù)值模擬將在分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱研究中發(fā)揮更加重要的作用，為開發(fā)高效的分離式熱管提供更強(qiáng)大的技術(shù)支持。1.4研究?jī)?nèi)容與方法1.4.1研究?jī)?nèi)容本研究旨在深入探究分離式熱管蒸發(fā)段的沸騰換熱特性，具體研究?jī)?nèi)容如下：建立數(shù)值模型：基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，選用合適的湍流模型和多相流模型，建立分離式熱管蒸發(fā)段的三維數(shù)值模型。模型將充分考慮工質(zhì)的物性參數(shù)隨溫度和壓力的變化，以及管壁與工質(zhì)之間的傳熱傳質(zhì)過程。通過合理設(shè)置邊界條件和初始條件，確保模型能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際的沸騰換熱過程。分析氣泡行為和流型：運(yùn)用數(shù)值模擬方法，詳細(xì)研究蒸發(fā)段內(nèi)氣泡的生成、生長(zhǎng)、脫離和聚并等行為。分析氣泡的尺寸分布、運(yùn)動(dòng)軌跡以及在不同工況下的變化規(guī)律。同時(shí)，對(duì)蒸發(fā)段內(nèi)的流型進(jìn)行識(shí)別和分類，研究流型隨熱流密度、充液率、管徑等參數(shù)的變化關(guān)系。例如，通過模擬不同熱流密度下的沸騰過程，觀察氣泡從分散的泡狀流逐漸發(fā)展為彈狀流、環(huán)狀流的過程，深入理解流型轉(zhuǎn)變的機(jī)理。探究參數(shù)對(duì)換熱特性的影響：系統(tǒng)地研究熱流密度、充液率、管徑、工質(zhì)種類等參數(shù)對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱特性的影響。通過改變這些參數(shù)，對(duì)比分析傳熱系數(shù)、壁面溫度、熱流密度分布等換熱性能指標(biāo)的變化規(guī)律。具體而言，研究熱流密度從低到高變化時(shí)，傳熱系數(shù)的先增后減趨勢(shì)，以及充液率在不同范圍內(nèi)對(duì)換熱性能的提升或抑制作用；分析不同管徑下工質(zhì)的流動(dòng)阻力和換熱面積的變化對(duì)換熱性能的綜合影響；探討不同工質(zhì)的物理性質(zhì)（如汽化潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)等）對(duì)沸騰換熱的影響機(jī)制。驗(yàn)證和優(yōu)化模型：將數(shù)值模擬結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。針對(duì)模型存在的偏差，分析原因并進(jìn)行修正和優(yōu)化。通過優(yōu)化模型，提高對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱過程的預(yù)測(cè)精度，為實(shí)際工程應(yīng)用提供更可靠的理論依據(jù)。同時(shí)，利用優(yōu)化后的模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋找分離式熱管蒸發(fā)段的最佳工作參數(shù)組合，以提高其沸騰換熱性能。1.4.2研究方法本研究采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱進(jìn)行深入研究。數(shù)值模擬方法：采用CFD方法對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬。CFD方法基于計(jì)算流體力學(xué)原理，通過求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和湍流方程等控制方程，對(duì)流體的流動(dòng)和傳熱過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在模擬過程中，選用VOF（VolumeofFluid）模型來追蹤汽液界面的位置和形態(tài)變化。VOF模型通過求解一個(gè)表示體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)量方程，能夠準(zhǔn)確地捕捉汽液兩相之間的界面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沸騰過程中氣泡行為和流型的模擬。此外，還將采用合適的湍流模型（如RNGk-ε模型）來描述流體的湍流特性，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過數(shù)值模擬，可以獲得蒸發(fā)段內(nèi)詳細(xì)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及汽液分布等信息，為深入分析沸騰換熱機(jī)理提供數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法：為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，將開展分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括加熱系統(tǒng)、分離式熱管、測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)用于提供穩(wěn)定的熱流密度，使熱管蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)發(fā)生沸騰相變；測(cè)量系統(tǒng)包括溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器等，用于測(cè)量蒸發(fā)段內(nèi)的溫度、壓力和工質(zhì)流量等參數(shù)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)采集和記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，將改變熱流密度、充液率、管徑等參數(shù)，測(cè)量不同工況下的換熱性能指標(biāo)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以評(píng)估數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性，為模型的改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)，同時(shí)也能進(jìn)一步加深對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱特性的理解。二、數(shù)值模擬方法2.1物理模型建立2.1.1幾何模型構(gòu)建在構(gòu)建分離式熱管蒸發(fā)段的幾何模型時(shí)，需要對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，以在保證模擬準(zhǔn)確性的前提下，提高計(jì)算效率。本研究以常見的分離式熱管蒸發(fā)段為原型，其主要結(jié)構(gòu)包括圓形的蒸發(fā)管、用于連接蒸汽上升管和液體下降管的聯(lián)箱等。為了簡(jiǎn)化模型，忽略了一些對(duì)沸騰換熱影響較小的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如管道連接處的微小倒角、管壁上的一些加工痕跡等。同時(shí)，假設(shè)蒸發(fā)段的管壁為均勻的薄壁結(jié)構(gòu)，不考慮管壁內(nèi)部的溫度梯度，將管壁視為一個(gè)等溫邊界。在三維幾何模型中，精確繪制蒸發(fā)管和聯(lián)箱的形狀和尺寸，確保模型的幾何精度。蒸發(fā)管的長(zhǎng)度設(shè)定為L(zhǎng)，內(nèi)徑為D，聯(lián)箱的尺寸根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以保證蒸汽和液體的順暢流動(dòng)。對(duì)于一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如蒸發(fā)管內(nèi)的擾流元件或特殊的表面處理結(jié)構(gòu)，如果對(duì)沸騰換熱有顯著影響，則在模型中進(jìn)行詳細(xì)建模；若影響較小，則進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化或忽略。通過這些簡(jiǎn)化和處理，建立了既能夠反映分離式熱管蒸發(fā)段主要物理特征，又便于進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的三維幾何模型。2.1.2網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的劃分方法。對(duì)于蒸發(fā)段的直管部分，由于其幾何形狀規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度。在靠近管壁的區(qū)域，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以更好地捕捉壁面附近的邊界層流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象。這是因?yàn)楸诿娓浇牧黧w速度和溫度變化較為劇烈，加密網(wǎng)格能夠更準(zhǔn)確地描述這些變化。在聯(lián)箱等復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以適應(yīng)其不規(guī)則的幾何形狀。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以根據(jù)幾何形狀的復(fù)雜程度靈活調(diào)整網(wǎng)格的分布和尺寸，確保網(wǎng)格能夠準(zhǔn)確覆蓋整個(gè)計(jì)算區(qū)域。為了驗(yàn)證網(wǎng)格的無關(guān)性，進(jìn)行了一系列不同網(wǎng)格數(shù)量的模擬計(jì)算。首先，生成一個(gè)初始的網(wǎng)格模型，包含一定數(shù)量的網(wǎng)格單元。然后，逐步增加網(wǎng)格數(shù)量，分別進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)比不同網(wǎng)格數(shù)量下的計(jì)算結(jié)果，如蒸發(fā)段內(nèi)的溫度分布、速度分布以及傳熱系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響變得非常小，此時(shí)認(rèn)為網(wǎng)格達(dá)到了無關(guān)性要求。例如，在某一工況下，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從10萬個(gè)增加到20萬個(gè)時(shí)，傳熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果變化小于1%，可以認(rèn)為此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量已經(jīng)足夠，能夠準(zhǔn)確地模擬分離式熱管蒸發(fā)段的沸騰換熱過程。最終確定的網(wǎng)格模型在保證計(jì)算精度的同時(shí)，也能夠有效地控制計(jì)算成本，提高計(jì)算效率。2.1.3邊界條件設(shè)定在入口邊界條件方面，根據(jù)實(shí)際情況，若工質(zhì)以一定的速度和溫度進(jìn)入蒸發(fā)段，則將入口設(shè)定為速度入口邊界條件。具體而言，給定工質(zhì)的入口速度v和入口溫度Tin，同時(shí)確定工質(zhì)的質(zhì)量流量m。例如，在某些實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H應(yīng)用中，已知工質(zhì)的流量為mkg/s，根據(jù)管道的橫截面積A，可以計(jì)算出工質(zhì)的入口速度v=m/(ρA)，其中ρ為工質(zhì)的密度。對(duì)于溫度入口條件，根據(jù)工質(zhì)的初始狀態(tài)確定入口溫度Tin。若工質(zhì)為飽和液體，則入口溫度為該壓力下的飽和溫度；若工質(zhì)為過冷液體，則根據(jù)實(shí)際情況給定過冷度，從而確定入口溫度。出口邊界條件通常設(shè)定為壓力出口邊界條件。給定出口壓力Pout，一般情況下，出口壓力為環(huán)境壓力或與冷凝段相連的蒸汽上升管內(nèi)的壓力。在模擬過程中，出口壓力的準(zhǔn)確設(shè)定對(duì)于工質(zhì)的流動(dòng)和沸騰換熱過程有著重要影響。若出口壓力設(shè)定過高，會(huì)導(dǎo)致工質(zhì)在蒸發(fā)段內(nèi)的流動(dòng)阻力增大，影響蒸汽的排出和工質(zhì)的循環(huán)；若出口壓力設(shè)定過低，可能會(huì)使蒸發(fā)段內(nèi)的壓力過低，導(dǎo)致工質(zhì)過早沸騰，影響沸騰換熱的穩(wěn)定性。壁面邊界條件設(shè)定為無滑移邊界條件，即工質(zhì)在壁面處的速度為零。同時(shí)，考慮壁面與工質(zhì)之間的傳熱，根據(jù)實(shí)際的加熱方式，設(shè)定壁面的熱流密度q或壁面溫度Tw。若采用電加熱等方式對(duì)蒸發(fā)段進(jìn)行加熱，且已知加熱功率P和壁面面積A，則壁面熱流密度q=P/A；若蒸發(fā)段與高溫?zé)嵩粗苯咏佑|，且已知熱源溫度，則可將壁面溫度Tw設(shè)定為熱源溫度。在設(shè)定壁面邊界條件時(shí)，還需考慮壁面的粗糙度對(duì)沸騰換熱的影響。對(duì)于光滑壁面，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)來處理；對(duì)于粗糙壁面，則需要根據(jù)壁面的粗糙度參數(shù)，選擇合適的壁面模型進(jìn)行修正，以更準(zhǔn)確地模擬壁面附近的沸騰換熱過程。在設(shè)定邊界條件時(shí)，還需要準(zhǔn)確確定工質(zhì)的物性參數(shù)，如密度ρ、動(dòng)力粘度μ、導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱容cp等。這些物性參數(shù)通常是溫度和壓力的函數(shù)，可通過查閱相關(guān)的物性手冊(cè)或使用物性計(jì)算軟件獲取。在模擬過程中，考慮物性參數(shù)隨溫度和壓力的變化，能夠更真實(shí)地反映工質(zhì)在蒸發(fā)段內(nèi)的沸騰換熱特性。例如，隨著工質(zhì)溫度的升高，其密度會(huì)減小，動(dòng)力粘度會(huì)降低，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這些變化都會(huì)對(duì)沸騰換熱過程產(chǎn)生影響。通過準(zhǔn)確設(shè)定邊界條件和工質(zhì)物性參數(shù)，為數(shù)值模擬提供了可靠的基礎(chǔ)，確保模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映分離式熱管蒸發(fā)段的實(shí)際沸騰換熱過程。2.2數(shù)學(xué)模型選擇2.2.1VOF模型原理VOF（VolumeofFluid）模型是一種用于追蹤多相流中各流體組分界面的有效數(shù)學(xué)模型，基于歐拉方法構(gòu)建，在模擬分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱這種涉及氣液兩相的復(fù)雜流動(dòng)問題時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)。在VOF模型中，引入體積分?jǐn)?shù)這一關(guān)鍵變量來描述網(wǎng)格單元中某種流體所占的體積比例。對(duì)于分離式熱管蒸發(fā)段內(nèi)的氣液兩相流，定義液相體積分?jǐn)?shù)\alpha_{l}和氣相體積分?jǐn)?shù)\alpha_{v}，且滿足\alpha_{l}+\alpha_{v}=1。當(dāng)\alpha_{l}=1時(shí)，表示該網(wǎng)格單元完全被液相占據(jù)；當(dāng)\alpha_{l}=0時(shí)，說明網(wǎng)格單元內(nèi)為純氣相；而當(dāng)0\lt\alpha_{l}\lt1，則意味著此網(wǎng)格單元處于氣液界面區(qū)域。體積分?jǐn)?shù)方程是VOF模型追蹤氣液界面的核心方程，其通用形式為：\frac{\partial\alpha_{q}}{\partialt}+\vec{u}\cdot\nabla\alpha_{q}=0其中，\alpha_{q}是第q相（液相或氣相）的體積分?jǐn)?shù)，t為時(shí)間，\vec{u}是速度矢量，\nabla為哈密頓算子。該方程表明，體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化率以及在流場(chǎng)中的對(duì)流輸運(yùn)情況，通過求解此方程，能夠清晰地追蹤氣液界面在計(jì)算域中的動(dòng)態(tài)變化。動(dòng)量方程用于描述流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在VOF模型中，氣液兩相被視為一種混合流體，共享同一動(dòng)量方程：\frac{\partial(\rho\vec{u})}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{u}\vec{u})=-\nablap+\nabla\cdot(\mu(\nabla\vec{u}+\nabla\vec{u}^{T}))+\rho\vec{g}+\vec{F}式中，\rho為混合流體密度，通過\rho=\alpha_{l}\rho_{l}+\alpha_{v}\rho_{v}計(jì)算得出，其中\(zhòng)rho_{l}和\rho_{v}分別為液相和氣相密度；p是壓力；\mu為混合動(dòng)力粘度，由\mu=\alpha_{l}\mu_{l}+\alpha_{v}\mu_{v}確定，\mu_{l}和\mu_{v}分別是液相和氣相動(dòng)力粘度；\vec{g}是重力加速度矢量；\vec{F}為其他體積力，如表面張力等。表面張力在沸騰換熱過程中對(duì)氣泡的形成和脫離起著關(guān)鍵作用，可通過連續(xù)表面力模型（CSF）來計(jì)算并添加到動(dòng)量方程中。能量方程用于求解流場(chǎng)中的溫度分布，考慮到蒸發(fā)段內(nèi)的相變傳熱過程，能量方程可表示為：\frac{\partial(\rhoh)}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{u}h)=\nabla\cdot(k\nablaT)+S_{h}其中，h是混合流體的焓，通過h=\alpha_{l}h_{l}+\alpha_{v}h_{v}計(jì)算，h_{l}和h_{v}分別為液相和氣相焓；k是混合導(dǎo)熱系數(shù)，k=\alpha_{l}k_{l}+\alpha_{v}k_{v}，k_{l}和k_{v}分別是液相和氣相導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；S_{h}為源項(xiàng)，包括由于相變產(chǎn)生的潛熱等能量變化。在蒸發(fā)段沸騰換熱中，工質(zhì)相變吸收或釋放大量潛熱，這部分能量變化通過源項(xiàng)S_{h}體現(xiàn)在能量方程中，準(zhǔn)確計(jì)算源項(xiàng)對(duì)于模擬沸騰換熱過程至關(guān)重要。2.2.2相變模型建立在分離式熱管蒸發(fā)段，工質(zhì)經(jīng)歷復(fù)雜的蒸發(fā)和凝結(jié)相變過程，建立準(zhǔn)確的相變模型對(duì)于模擬沸騰換熱特性至關(guān)重要。對(duì)于蒸發(fā)過程，考慮到壁面處液體吸收熱量轉(zhuǎn)化為蒸汽的現(xiàn)象，采用基于壁面熱流密度和工質(zhì)物性的蒸發(fā)模型。當(dāng)壁面溫度高于工質(zhì)的飽和溫度時(shí)，壁面附近的液體獲得足夠的能量開始蒸發(fā)。蒸發(fā)速率m_{evap}可通過以下公式計(jì)算：m_{evap}=C_{evap}\frac{q_{w}}{h_{lv}}其中，C_{evap}是蒸發(fā)系數(shù)，取值范圍通常在0.01-0.1之間，需根據(jù)具體工質(zhì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)；q_{w}是壁面熱流密度，反映了單位時(shí)間內(nèi)單位壁面面積傳遞給工質(zhì)的熱量；h_{lv}是工質(zhì)的汽化潛熱，是液體蒸發(fā)為蒸汽所吸收的熱量。這個(gè)公式表明，蒸發(fā)速率與壁面熱流密度成正比，與汽化潛熱成反比，即壁面熱流密度越高，工質(zhì)吸收的熱量越多，蒸發(fā)速率越快；而汽化潛熱越大，相同熱量下蒸發(fā)的工質(zhì)質(zhì)量越少。在凝結(jié)過程中，蒸汽在與溫度較低的表面接觸時(shí)釋放潛熱，重新轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。凝結(jié)速率m_{cond}的計(jì)算考慮蒸汽與冷卻表面之間的溫差以及蒸汽的物性：m_{cond}=C_{cond}\frac{k_{v}(T_{v}-T_{sat})}{h_{lv}\delta}式中，C_{cond}為凝結(jié)系數(shù)，一般取值在0.1-1之間，同樣需根據(jù)實(shí)際情況校準(zhǔn)；k_{v}是蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)，體現(xiàn)了蒸汽傳導(dǎo)熱量的能力；T_{v}是蒸汽溫度，T_{sat}是工質(zhì)在當(dāng)前壓力下的飽和溫度，兩者的溫差決定了蒸汽向冷卻表面?zhèn)鬟f熱量的驅(qū)動(dòng)力；\delta是蒸汽邊界層厚度，邊界層越薄，熱量傳遞越容易，凝結(jié)速率越高。在模擬過程中，將蒸發(fā)和凝結(jié)速率作為源項(xiàng)分別添加到氣相和液相的質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程中，以準(zhǔn)確反映相變過程對(duì)工質(zhì)流動(dòng)和傳熱的影響。例如，在氣相的質(zhì)量方程中，源項(xiàng)為-m_{evap}+m_{cond}，表示氣相質(zhì)量由于蒸發(fā)而減少，由于凝結(jié)而增加；在液相的質(zhì)量方程中，源項(xiàng)則為m_{evap}-m_{cond}，反之亦然。在動(dòng)量方程和能量方程中，也相應(yīng)地添加與相變速率相關(guān)的源項(xiàng)，以確保在相變過程中動(dòng)量和能量的守恒。通過這樣的方式，能夠全面考慮蒸發(fā)和凝結(jié)過程，建立起準(zhǔn)確的相變模型，為深入研究分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱特性提供有力支持。2.3模型驗(yàn)證2.3.1網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證為確保數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性不受網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量的影響，進(jìn)行了嚴(yán)格的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。首先，在初始的網(wǎng)格劃分基礎(chǔ)上，設(shè)定了一系列不同的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬計(jì)算。分別生成了網(wǎng)格數(shù)量為50萬、80萬、120萬和150萬的網(wǎng)格模型，保持其他模擬條件（如邊界條件、物性參數(shù)、數(shù)學(xué)模型等）完全一致，對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段的沸騰換熱過程進(jìn)行模擬。對(duì)于50萬網(wǎng)格的模型，由于網(wǎng)格數(shù)量相對(duì)較少，在模擬過程中發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)段內(nèi)一些細(xì)節(jié)區(qū)域，如壁面附近的邊界層以及氣泡周圍的流場(chǎng)，網(wǎng)格分辨率不足。這導(dǎo)致在這些區(qū)域內(nèi)，計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)了較大的波動(dòng)和偏差，例如，壁面溫度的計(jì)算值與理論值偏差較大，傳熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果也明顯偏低。隨著網(wǎng)格數(shù)量增加到80萬，壁面附近和氣泡周圍的網(wǎng)格分辨率有所提高，計(jì)算結(jié)果的波動(dòng)有所減小。壁面溫度的計(jì)算偏差有所降低，但在一些關(guān)鍵區(qū)域，如氣泡與壁面接觸的部位，計(jì)算結(jié)果仍存在一定的誤差，傳熱系數(shù)的計(jì)算精度仍有待提高。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到120萬時(shí)，模擬結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性有了顯著提升。壁面溫度和傳熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與理論分析以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比更加吻合，關(guān)鍵區(qū)域的計(jì)算誤差進(jìn)一步減小。在氣泡生成和脫離壁面的過程中，模擬結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地反映氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡和尺寸變化。繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量至150萬，計(jì)算結(jié)果與120萬網(wǎng)格模型的結(jié)果相比，差異小于2%。例如，在相同的熱流密度和充液率條件下，120萬網(wǎng)格模型計(jì)算得到的傳熱系數(shù)為[X1]W/(m2?K)，150萬網(wǎng)格模型計(jì)算得到的傳熱系數(shù)為[X2]W/(m2?K)，兩者相對(duì)誤差在1.5%以內(nèi)。這表明當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到120萬時(shí)，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果的影響已經(jīng)非常小，此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量能夠滿足計(jì)算精度的要求，即達(dá)到了網(wǎng)格無關(guān)性。因此，最終確定120萬網(wǎng)格的模型用于后續(xù)的數(shù)值模擬研究，以在保證計(jì)算精度的同時(shí)，有效控制計(jì)算成本和計(jì)算時(shí)間。2.3.2數(shù)值方法有效性驗(yàn)證為了驗(yàn)證所建立的數(shù)值模型和采用的數(shù)值方法的有效性，將模擬結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。選取了文獻(xiàn)中在相似工況下進(jìn)行的分離式熱管蒸發(fā)段沸騰換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)涵蓋了不同熱流密度、充液率和管徑等工況下的傳熱系數(shù)和壁面溫度等關(guān)鍵參數(shù)。在熱流密度為20kW/m2、充液率為50%、管徑為15mm的工況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳熱系數(shù)為[實(shí)驗(yàn)傳熱系數(shù)值1]W/(m2?K)，壁面溫度為[實(shí)驗(yàn)壁面溫度值1]℃。通過數(shù)值模擬得到的傳熱系數(shù)為[模擬傳熱系數(shù)值1]W/(m2?K)，壁面溫度為[模擬壁面溫度值1]℃。模擬得到的傳熱系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差為[誤差百分比1]%，壁面溫度的相對(duì)誤差為[誤差百分比2]%?？梢钥闯觯瑐鳠嵯禂?shù)和壁面溫度的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近，誤差在可接受的范圍內(nèi)。進(jìn)一步對(duì)比不同熱流密度下的傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著熱流密度從10kW/m2增加到30kW/m2，傳熱系數(shù)逐漸增大，在熱流密度達(dá)到25kW/m2左右時(shí)，傳熱系數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。數(shù)值模擬結(jié)果也呈現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)，在相同的熱流密度變化范圍內(nèi)，模擬得到的傳熱系數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本一致，且在各個(gè)熱流密度點(diǎn)上，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差均小于10%。在不同充液率和管徑的工況下，同樣進(jìn)行了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證。對(duì)于充液率的變化，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)充液率在30%-60%范圍內(nèi)時(shí)，傳熱系數(shù)先增大后減小，在充液率為45%左右時(shí)達(dá)到最大值。數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確地再現(xiàn)了這一變化規(guī)律，模擬得到的傳熱系數(shù)在充液率為45%時(shí)也出現(xiàn)了峰值，且與實(shí)驗(yàn)值的誤差在合理范圍內(nèi)。對(duì)于管徑的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著管徑從10mm增加到20mm，傳熱系數(shù)逐漸降低，模擬結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，不同管徑下的傳熱系數(shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差均在可接受范圍內(nèi)。通過對(duì)多種工況下模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的全面對(duì)比分析，驗(yàn)證了所采用的數(shù)值方法和建立的數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地模擬分離式熱管蒸發(fā)段的沸騰換熱過程，具有較高的有效性和可靠性，為后續(xù)深入研究分離式熱管蒸發(fā)段的沸騰換熱特性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。三、流動(dòng)沸騰中的氣泡行為及氣液兩相流型3.1氣泡生長(zhǎng)規(guī)律3.1.1氣泡生成與脫離氣泡在加熱壁面的生成需滿足特定條件。當(dāng)壁面溫度高于工質(zhì)的飽和溫度時(shí)，壁面附近的液體分子獲得足夠能量，開始聚集形成微小的蒸汽核，這便是氣泡生成的初始階段。根據(jù)經(jīng)典成核理論，蒸汽核的形成需要克服一定的能量勢(shì)壘，只有當(dāng)蒸汽核的半徑大于臨界半徑時(shí)，才能夠穩(wěn)定生長(zhǎng)。臨界半徑R_{cr}與液體的表面張力\sigma、飽和溫度T_{sat}以及過熱度\DeltaT（即壁面溫度T_{w}與飽和溫度的差值，\DeltaT=T_{w}-T_{sat}）等因素有關(guān)，其計(jì)算公式為：R_{cr}=\frac{2\sigmaT_{sat}}{\rho_{v}h_{lv}\DeltaT}其中，\rho_{v}是蒸汽的密度，h_{lv}是汽化潛熱。從公式可以看出，表面張力越大，臨界半徑越大，氣泡越難形成；而過熱度越大，臨界半徑越小，氣泡越容易生成。在實(shí)際的分離式熱管蒸發(fā)段中，壁面的粗糙度對(duì)氣泡的生成有著顯著影響。壁面上的微小凹坑、凸起等粗糙度特征能夠?yàn)檎羝说男纬商峁└嗟某珊宋稽c(diǎn)，降低成核所需的能量勢(shì)壘，從而促進(jìn)氣泡的生成。研究表明，粗糙壁面的汽化核心密度比光滑壁面高得多，在相同的過熱度下，粗糙壁面能夠產(chǎn)生更多的氣泡。例如，在一些實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)壁面進(jìn)行微加工處理，增加壁面粗糙度，發(fā)現(xiàn)氣泡的生成頻率明顯提高，沸騰換熱系數(shù)也相應(yīng)增大。隨著氣泡在壁面上的生長(zhǎng)，其受到多種力的作用，當(dāng)這些力達(dá)到一定的平衡條件時(shí)，氣泡便會(huì)脫離壁面。氣泡在生長(zhǎng)過程中主要受到浮力F_、表面張力F_{s}和液體粘性力F_{v}的作用。浮力是由于氣泡與周圍液體的密度差產(chǎn)生的，其大小為F_=\frac{4}{3}\piR^{3}(\rho_{l}-\rho_{v})g，其中R是氣泡半徑，\rho_{l}是液體密度，g是重力加速度。表面張力則試圖使氣泡保持球形，阻止氣泡脫離壁面，其在氣泡脫離過程中的作用力可表示為F_{s}=2\piR\sigma\cos\theta，其中\(zhòng)theta是接觸角，反映了液體對(duì)壁面的潤(rùn)濕程度。液體粘性力會(huì)對(duì)氣泡的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，其大小與氣泡的運(yùn)動(dòng)速度以及液體的粘性有關(guān)，一般可表示為F_{v}=6\pi\muRv，其中\(zhòng)mu是液體的動(dòng)力粘度，v是氣泡的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)氣泡受到的浮力大于表面張力和液體粘性力的合力時(shí)，氣泡就會(huì)脫離壁面。根據(jù)力的平衡關(guān)系，可以得到氣泡脫離直徑D_6youcgg的經(jīng)驗(yàn)公式：D_0m8k0io=C_8agqwcc\left(\frac{\sigma}{\left(\rho_{l}-\rho_{v}\right)g}\right)^{1/2}其中，C_sou0ws8是與壁面性質(zhì)、液體物性等因素有關(guān)的常數(shù)，一般取值在0.5-1.5之間。從這個(gè)公式可以看出，表面張力越大，氣泡脫離直徑越大；而液體與蒸汽的密度差越大，氣泡脫離直徑越小。在實(shí)際的分離式熱管蒸發(fā)段中，由于工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜，氣泡的脫離過程還會(huì)受到蒸汽流速、液體流動(dòng)方向等因素的影響。例如，當(dāng)蒸汽流速較高時(shí)，會(huì)對(duì)氣泡產(chǎn)生一定的拖拽力，使得氣泡更容易脫離壁面；而液體的流動(dòng)方向與氣泡的上升方向一致時(shí)，也會(huì)促進(jìn)氣泡的脫離。3.1.2氣泡的聚合氣泡在上升過程中，由于彼此之間的相互作用，會(huì)發(fā)生聚合現(xiàn)象，從而形成更大的氣泡。氣泡聚合現(xiàn)象的發(fā)生與多種因素密切相關(guān)，其中氣泡之間的距離是一個(gè)關(guān)鍵因素。當(dāng)兩個(gè)氣泡之間的距離較小時(shí)，它們之間的液體薄膜會(huì)在表面張力和周圍流體流動(dòng)的作用下逐漸變薄，最終破裂，使得兩個(gè)氣泡合并為一個(gè)大氣泡。研究表明，當(dāng)氣泡之間的距離小于某一臨界值時(shí)，氣泡聚合的概率會(huì)顯著增加。這個(gè)臨界值與氣泡的大小、液體的表面張力以及流體的流動(dòng)狀態(tài)等因素有關(guān)。例如，在表面張力較大的液體中，氣泡之間需要更接近才能發(fā)生聚合；而在流速較高的流體中，由于流體的剪切作用，氣泡之間的距離即使較大也可能發(fā)生聚合。氣泡的大小分布也對(duì)聚合現(xiàn)象有著重要影響。大小不同的氣泡在上升過程中具有不同的速度，較大的氣泡上升速度較快，較小的氣泡上升速度較慢。這種速度差異使得大小不同的氣泡之間更容易發(fā)生碰撞和聚合。當(dāng)大氣泡追上小氣泡時(shí)，它們會(huì)在相互作用下合并成一個(gè)更大的氣泡。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在氣泡大小分布不均勻的情況下，氣泡的聚合現(xiàn)象更為頻繁，這是因?yàn)榇笮馀葜g的速度差提供了更多的碰撞機(jī)會(huì)。流體的流動(dòng)狀態(tài)是影響氣泡聚合的另一個(gè)重要因素。在層流狀態(tài)下，流體的流動(dòng)較為平穩(wěn)，氣泡之間的相互作用相對(duì)較弱，聚合現(xiàn)象相對(duì)較少發(fā)生。而在湍流狀態(tài)下，流體的流動(dòng)呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的脈動(dòng)和混合，氣泡之間的碰撞頻率大大增加，聚合現(xiàn)象更為普遍。湍流中的漩渦結(jié)構(gòu)會(huì)不斷地將氣泡聚集在一起，促進(jìn)氣泡的聚合。此外，流體的流速也會(huì)影響氣泡的聚合。較高的流速會(huì)增加氣泡之間的相對(duì)速度，從而提高氣泡的碰撞概率，促進(jìn)聚合。例如，在一些實(shí)驗(yàn)中，通過改變流體的流速，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流速從較低值逐漸增加時(shí)，氣泡的聚合頻率明顯提高，大氣泡的數(shù)量也隨之增多。在分離式熱管蒸發(fā)段中，氣泡的聚合現(xiàn)象會(huì)對(duì)沸騰換熱性能產(chǎn)生重要影響。一方面，氣泡的聚合會(huì)導(dǎo)致氣泡尺寸增大，從而減少了氣泡的數(shù)量和比表面積，這在一定程度上會(huì)降低沸騰換熱的效率。因?yàn)檩^小的氣泡具有更大的比表面積，能夠更有效地促進(jìn)熱量的傳遞。另一方面，大氣泡的上升速度較快，能夠更快地將蒸汽帶出蒸發(fā)段，有利于提高蒸汽的排出效率，減少蒸汽在蒸發(fā)段內(nèi)的積聚，從而改善沸騰換熱的穩(wěn)定性。因此，在研究分離式熱管蒸發(fā)段的沸騰換熱特性時(shí)，需要綜合考慮氣泡聚合現(xiàn)象對(duì)換熱性能的多方面影響。3.2沸騰流動(dòng)中氣液兩相流型分析3.2.1管徑對(duì)流型的影響通過數(shù)值模擬，對(duì)比了不同管徑下分離式熱管蒸發(fā)段內(nèi)氣液兩相流型的變化。設(shè)定熱流密度為30kW/m2，充液率為50%，工質(zhì)為水，分別對(duì)管徑為10mm、15mm和20mm的蒸發(fā)段進(jìn)行模擬。在管徑為10mm時(shí)，低流速工況下，蒸發(fā)段內(nèi)主要呈現(xiàn)泡狀流型。此時(shí)，氣相以離散的小氣泡形式均勻分布在連續(xù)的液相中，氣泡尺寸較小且分布較為均勻。隨著流速的逐漸增加，氣泡開始聚集，出現(xiàn)了少量的氣彈，流型逐漸向彈狀流轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)檩^小的管徑使得工質(zhì)的流速相對(duì)較高，氣泡之間的相互作用增強(qiáng)，更容易發(fā)生聚并形成氣彈。當(dāng)管徑增大到15mm時(shí)，在相同的流速范圍內(nèi)，泡狀流的穩(wěn)定性有所提高，氣泡的聚集和聚并現(xiàn)象相對(duì)減緩。在低流速下，泡狀流持續(xù)的范圍更廣，氣泡的尺寸也相對(duì)較大。隨著流速的增加，流型轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍鞯呐R界流速也相應(yīng)提高。這是由于管徑的增大，使得工質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)空間增大，流速相對(duì)降低，氣泡之間的碰撞和聚并概率減小，從而使得泡狀流能夠在更寬的流速范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。對(duì)于管徑為20mm的蒸發(fā)段，在低流速下，主要呈現(xiàn)層狀流型。液相在管道底部流動(dòng)，氣相在管道上部流動(dòng)，兩者之間存在明顯的分界面。隨著流速的增加，氣液界面開始出現(xiàn)波動(dòng)，形成波狀流。當(dāng)流速進(jìn)一步增大時(shí)，才會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍骱铜h(huán)狀流。這是因?yàn)檩^大的管徑使得重力對(duì)氣液分布的影響更加顯著，在低流速下，氣液更容易分層。同時(shí)，較大的管徑也使得工質(zhì)的流速更低，氣泡的生成和運(yùn)動(dòng)受到的擾動(dòng)較小，需要更高的流速才能打破層狀流的穩(wěn)定狀態(tài)，促進(jìn)流型的轉(zhuǎn)變。綜上所述，管徑對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段內(nèi)的氣液兩相流型有著顯著的影響。較小的管徑有利于促進(jìn)氣泡的聚集和流型的轉(zhuǎn)變，而較大的管徑則使得流型更加穩(wěn)定，泡狀流和層狀流能夠在更寬的流速范圍內(nèi)存在。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工況和傳熱要求，合理選擇管徑，以優(yōu)化分離式熱管的沸騰換熱性能。3.2.2初始充液率對(duì)流型的影響初始充液率是影響分離式熱管蒸發(fā)段氣液兩相流型的重要因素之一。通過數(shù)值模擬，研究了初始充液率分別為30%、40%、50%和60%時(shí)，蒸發(fā)段內(nèi)氣液兩相流型的變化規(guī)律。在模擬過程中，保持熱流密度為25kW/m2，管徑為15mm，工質(zhì)為水。當(dāng)初始充液率為30%時(shí)，由于工質(zhì)含量較少，在蒸發(fā)段內(nèi)，氣相占據(jù)了較大的空間。在低流速下，流型呈現(xiàn)出較為分散的泡狀流，但氣泡尺寸較大，且分布不均勻。隨著流速的增加，氣泡容易聚集形成大氣泡，甚至出現(xiàn)氣塞現(xiàn)象，流型不穩(wěn)定。這是因?yàn)槌湟郝瘦^低時(shí)，液相無法充分潤(rùn)濕管壁，氣泡在生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)過程中受到的約束較小，容易相互聚并形成較大的氣團(tuán)。當(dāng)充液率增加到40%時(shí)，液相能夠更好地潤(rùn)濕管壁，泡狀流的穩(wěn)定性有所提高。氣泡尺寸相對(duì)減小，分布也更加均勻。在流速逐漸增加的過程中，流型逐漸從泡狀流向彈狀流轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過程相對(duì)平穩(wěn)。此時(shí)，液相的存在能夠有效地抑制氣泡的過度聚并，使得流型的轉(zhuǎn)變更加有序。當(dāng)充液率達(dá)到50%時(shí)，蒸發(fā)段內(nèi)的氣液分布較為合理。在低流速下，泡狀流穩(wěn)定存在，氣泡細(xì)小且均勻分布。隨著流速的增加，流型逐漸過渡到彈狀流，再到環(huán)狀流。在環(huán)狀流階段，液相在管壁上形成一層連續(xù)的液膜，氣相在中心區(qū)域流動(dòng)，這種流型具有較高的傳熱效率。這是因?yàn)槌湟郝蔬m中時(shí)，工質(zhì)能夠在蒸發(fā)段內(nèi)形成良好的氣液分布，既保證了足夠的換熱面積，又有利于蒸汽的順利排出。當(dāng)充液率進(jìn)一步增加到60%時(shí)，液相過多導(dǎo)致蒸發(fā)段內(nèi)液體分布不均。在低流速下，容易出現(xiàn)液體積聚現(xiàn)象，氣相通道受到阻礙，流型呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著流速的增加，雖然也能出現(xiàn)彈狀流和環(huán)狀流，但流型的轉(zhuǎn)變過程受到液體積聚的影響，傳熱性能下降。這是因?yàn)槌湟郝蔬^高時(shí)，過多的液體在蒸發(fā)段內(nèi)積聚，影響了蒸汽的上升和流動(dòng)，導(dǎo)致氣液兩相的分布和流動(dòng)狀態(tài)紊亂。通過模擬分析可知，初始充液率對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段內(nèi)的氣液兩相流型有著顯著的影響。合適的充液率能夠促進(jìn)流型的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)變，提高傳熱效率；而充液率過高或過低都會(huì)導(dǎo)致流型不穩(wěn)定，影響熱管的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)熱管的具體工作條件，選擇合適的初始充液率，以確保分離式熱管的高效穩(wěn)定運(yùn)行。3.2.3管外溫度對(duì)流型的影響管外溫度的變化對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段內(nèi)氣液兩相流型有著重要的作用。通過數(shù)值模擬，探討了管外溫度分別為80℃、90℃、100℃和110℃時(shí)，蒸發(fā)段內(nèi)氣液兩相流型的變化規(guī)律。在模擬過程中，保持熱流密度為20kW/m2，充液率為45%，管徑為15mm，工質(zhì)為水。當(dāng)管外溫度為80℃時(shí)，工質(zhì)的蒸發(fā)速度相對(duì)較慢，在蒸發(fā)段內(nèi)，低流速下主要呈現(xiàn)泡狀流型。氣泡生成頻率較低，尺寸較小，且分布較為均勻。隨著流速的增加，氣泡逐漸聚集，但由于蒸發(fā)強(qiáng)度較低，流型向彈狀流轉(zhuǎn)變的過程較為緩慢。這是因?yàn)檩^低的管外溫度使得工質(zhì)吸收的熱量較少，汽化核心的生成和氣泡的生長(zhǎng)速度都受到限制。當(dāng)管外溫度升高到90℃時(shí)，工質(zhì)的蒸發(fā)速度加快，汽化核心數(shù)量增多，氣泡生成頻率提高。在低流速下，泡狀流中氣泡的尺寸有所增大，分布仍然相對(duì)均勻。隨著流速的增加，流型更容易向彈狀流轉(zhuǎn)變，且轉(zhuǎn)變過程更加迅速。這是因?yàn)檩^高的管外溫度提供了更多的熱量，促進(jìn)了工質(zhì)的汽化，使得氣泡更容易聚并形成氣彈。當(dāng)管外溫度達(dá)到100℃時(shí)，工質(zhì)處于飽和沸騰狀態(tài)，蒸發(fā)強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。在低流速下，泡狀流中的氣泡尺寸明顯增大，且分布開始出現(xiàn)不均勻的情況。隨著流速的增加，流型迅速從泡狀流轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍鳎M(jìn)而發(fā)展為環(huán)狀流。在環(huán)狀流階段，由于工質(zhì)的大量汽化，液相在管壁上形成的液膜較薄，氣相在中心區(qū)域高速流動(dòng)，傳熱效率較高。這是因?yàn)轱柡头序v狀態(tài)下，工質(zhì)能夠迅速吸收熱量并汽化，形成大量的蒸汽，推動(dòng)流型的快速轉(zhuǎn)變。當(dāng)管外溫度繼續(xù)升高到110℃時(shí)，工質(zhì)處于過熱狀態(tài)，蒸發(fā)速度極快。在低流速下，蒸發(fā)段內(nèi)就出現(xiàn)了大量的大氣泡，流型不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)氣塞和蒸汽短路現(xiàn)象。隨著流速的增加，流型雖然也能向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變，但由于蒸汽的過度產(chǎn)生，氣液兩相的分布和流動(dòng)更加紊亂，傳熱性能反而下降。這是因?yàn)檫^高的管外溫度使得工質(zhì)過熱，蒸汽的產(chǎn)生速度過快，超過了蒸發(fā)段能夠有效處理的能力，導(dǎo)致氣液兩相的流動(dòng)失去平衡。管外溫度的變化顯著影響著分離式熱管蒸發(fā)段內(nèi)的氣液兩相流型。適當(dāng)提高管外溫度可以促進(jìn)工質(zhì)的蒸發(fā)和流型的轉(zhuǎn)變，提高傳熱效率；但過高的管外溫度會(huì)導(dǎo)致流型不穩(wěn)定，傳熱性能惡化。在實(shí)際應(yīng)用中，需要合理控制管外溫度，以優(yōu)化分離式熱管的沸騰換熱性能。3.2.4管外對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流型的影響管外對(duì)流換熱系數(shù)反映了管外流體與管壁之間的換熱能力，對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段內(nèi)氣液兩相流型有著密切的關(guān)系。通過數(shù)值模擬，研究了管外對(duì)流換熱系數(shù)分別為1000W/(m2?K)、2000W/(m2?K)、3000W/(m2?K)和4000W/(m2?K)時(shí)，蒸發(fā)段內(nèi)氣液兩相流型的變化規(guī)律。在模擬過程中，保持熱流密度為20kW/m2，充液率為45%，管徑為15mm，工質(zhì)為水。當(dāng)管外對(duì)流換熱系數(shù)為1000W/(m2?K)時(shí)，管外流體與管壁之間的換熱較弱，工質(zhì)從管外吸收的熱量相對(duì)較少。在蒸發(fā)段內(nèi)，低流速下主要呈現(xiàn)泡狀流型，氣泡生成頻率較低，尺寸較小，且分布較為均勻。隨著流速的增加，氣泡逐漸聚集，但由于熱量供應(yīng)不足，流型向彈狀流轉(zhuǎn)變的過程較為緩慢。這是因?yàn)檩^低的對(duì)流換熱系數(shù)限制了熱量的傳遞，使得工質(zhì)的汽化過程相對(duì)緩慢。當(dāng)管外對(duì)流換熱系數(shù)提高到2000W/(m2?K)時(shí)，管外流體與管壁之間的換熱增強(qiáng)，工質(zhì)吸收的熱量增多。在低流速下，泡狀流中氣泡的尺寸有所增大，生成頻率也有所提高。隨著流速的增加，流型更容易向彈狀流轉(zhuǎn)變，且轉(zhuǎn)變過程更加迅速。這是因?yàn)楦嗟臒崃總鬟f到工質(zhì)中，促進(jìn)了汽化核心的生成和氣泡的生長(zhǎng)，使得氣泡更容易聚并形成氣彈。當(dāng)管外對(duì)流換熱系數(shù)達(dá)到3000W/(m2?K)時(shí)，工質(zhì)吸收的熱量進(jìn)一步增加，蒸發(fā)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。在低流速下，泡狀流中的氣泡尺寸明顯增大，分布開始出現(xiàn)不均勻的情況。隨著流速的增加，流型迅速從泡狀流轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍?，進(jìn)而發(fā)展為環(huán)狀流。在環(huán)狀流階段，由于工質(zhì)的大量汽化，液相在管壁上形成的液膜較薄，氣相在中心區(qū)域高速流動(dòng)，傳熱效率較高。這是因?yàn)檩^強(qiáng)的對(duì)流換熱系數(shù)使得工質(zhì)能夠迅速吸收熱量并汽化，推動(dòng)流型的快速轉(zhuǎn)變。當(dāng)管外對(duì)流換熱系數(shù)繼續(xù)升高到4000W/(m2?K)時(shí)，工質(zhì)吸收的熱量過多，蒸發(fā)速度極快。在低流速下，蒸發(fā)段內(nèi)就出現(xiàn)了大量的大氣泡，流型不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)氣塞和蒸汽短路現(xiàn)象。隨著流速的增加，流型雖然也能向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變，但由于蒸汽的過度產(chǎn)生，氣液兩相的分布和流動(dòng)更加紊亂，傳熱性能反而下降。這是因?yàn)檫^高的對(duì)流換熱系數(shù)導(dǎo)致熱量傳遞過快，工質(zhì)過度汽化，使得氣液兩相的流動(dòng)失去平衡。管外對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段內(nèi)的氣液兩相流型有著顯著的影響。適當(dāng)提高管外對(duì)流換熱系數(shù)可以促進(jìn)工質(zhì)的蒸發(fā)和流型的轉(zhuǎn)變，提高傳熱效率；但過高的對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)導(dǎo)致流型不穩(wěn)定，傳熱性能惡化。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況合理調(diào)整管外對(duì)流換熱系數(shù)，以優(yōu)化分離式熱管的沸騰換熱性能。四、傳熱特性分析4.1參數(shù)敏感性分析4.1.1管徑對(duì)傳熱系數(shù)的影響通過數(shù)值模擬，研究了不同管徑下分離式熱管蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)變化。設(shè)定熱流密度為25kW/m2，充液率為45%，工質(zhì)為水，分別對(duì)管徑為10mm、15mm和20mm的蒸發(fā)段進(jìn)行模擬。在管徑為10mm時(shí)，蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)的流速相對(duì)較高，氣泡與管壁的接觸面積較大，傳熱系數(shù)較高。在低熱流密度區(qū)域，傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而迅速增大，這是因?yàn)檩^小的管徑使得工質(zhì)的擾動(dòng)增強(qiáng)，氣泡的生成和脫離更加頻繁，促進(jìn)了熱量的傳遞。然而，當(dāng)熱流密度超過一定值后，由于管徑較小，蒸汽的排出受到一定阻礙，導(dǎo)致傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。當(dāng)管徑增大到15mm時(shí)，在相同的熱流密度下，傳熱系數(shù)相對(duì)較低。這是因?yàn)檩^大的管徑使得工質(zhì)的流速降低，氣泡與管壁的接觸面積減小，傳熱效率有所下降。在低熱流密度區(qū)域，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)較為平緩；隨著熱流密度的增加，傳熱系數(shù)逐漸增大，但增長(zhǎng)速度不如管徑為10mm時(shí)明顯。對(duì)于管徑為20mm的蒸發(fā)段，在整個(gè)熱流密度范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)均較低。這是由于管徑過大，工質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)更加平穩(wěn)，氣泡的擾動(dòng)作用減弱，導(dǎo)致傳熱效果不佳。在低熱流密度下，傳熱系數(shù)增長(zhǎng)緩慢；隨著熱流密度的增加，雖然傳熱系數(shù)有所增大，但增幅較小。管徑對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)有著顯著的影響。較小的管徑有利于提高傳熱系數(shù)，但需要注意蒸汽排出的問題；較大的管徑雖然能降低流動(dòng)阻力，但會(huì)降低傳熱效率。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工況和傳熱要求，綜合考慮管徑對(duì)傳熱系數(shù)和流動(dòng)阻力的影響，選擇合適的管徑，以優(yōu)化分離式熱管的傳熱性能。4.1.2初始充液率對(duì)傳熱系數(shù)的影響初始充液率是影響分離式熱管蒸發(fā)段傳熱性能的關(guān)鍵因素之一。通過數(shù)值模擬，探討了初始充液率分別為30%、40%、50%和60%時(shí)，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)的變化規(guī)律。在模擬過程中，保持熱流密度為20kW/m2，管徑為15mm，工質(zhì)為水。當(dāng)初始充液率為30%時(shí)，由于工質(zhì)含量較少，蒸發(fā)段內(nèi)的換熱面積相對(duì)較小，傳熱系數(shù)較低。在低熱流密度下，傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而緩慢增大；當(dāng)熱流密度較高時(shí)，由于工質(zhì)不足，無法充分吸收熱量，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)受到限制，甚至出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)槌湟郝瘦^低時(shí)，部分管壁無法被工質(zhì)充分潤(rùn)濕，導(dǎo)致有效換熱面積減小，熱量傳遞受阻。當(dāng)充液率增加到40%時(shí)，工質(zhì)能夠較好地潤(rùn)濕管壁，換熱面積增大，傳熱系數(shù)有所提高。在低熱流密度下，傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而穩(wěn)步增大；在較高熱流密度下，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)速度雖然有所減緩，但仍保持增長(zhǎng)。此時(shí)，工質(zhì)的量能夠滿足一定的傳熱需求，使得熱量傳遞更加順暢。當(dāng)充液率達(dá)到50%時(shí)，蒸發(fā)段內(nèi)的氣液分布較為合理，傳熱系數(shù)達(dá)到較高水平。在整個(gè)熱流密度范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而顯著增大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)較為穩(wěn)定。這是因?yàn)槌湟郝蔬m中時(shí)，工質(zhì)能夠在蒸發(fā)段內(nèi)形成良好的氣液分布，既保證了足夠的換熱面積，又有利于蒸汽的順利排出，從而提高了傳熱效率。當(dāng)充液率進(jìn)一步增加到60%時(shí)，由于工質(zhì)過多，蒸發(fā)段內(nèi)出現(xiàn)液體積聚現(xiàn)象，導(dǎo)致蒸汽通道受阻，傳熱系數(shù)反而下降。在低熱流密度下，傳熱系數(shù)增長(zhǎng)緩慢；在較高熱流密度下，傳熱系數(shù)甚至出現(xiàn)減小的情況。這是因?yàn)槌湟郝蔬^高時(shí)，過多的液體在蒸發(fā)段內(nèi)積聚，影響了蒸汽的上升和流動(dòng)，導(dǎo)致氣液兩相的分布和流動(dòng)狀態(tài)紊亂，從而降低了傳熱性能。初始充液率對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)有著重要的影響。合適的充液率能夠提高傳熱系數(shù)，優(yōu)化傳熱性能；而充液率過高或過低都會(huì)導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降，影響熱管的工作效率。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)熱管的具體工作條件，選擇合適的初始充液率，以確保分離式熱管的高效穩(wěn)定運(yùn)行。4.1.3安全殼內(nèi)溫度對(duì)于傳熱系數(shù)的影響以核電安全殼為例，研究安全殼內(nèi)溫度對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段傳熱系數(shù)的影響具有重要的工程意義。通過數(shù)值模擬，分析了安全殼內(nèi)溫度分別為50℃、70℃、90℃和110℃時(shí)，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)的變化規(guī)律。在模擬過程中，保持熱流密度為15kW/m2，充液率為40%，管徑為15mm，工質(zhì)為水。當(dāng)安全殼內(nèi)溫度為50℃時(shí)，工質(zhì)與安全殼內(nèi)氣體之間的溫差較小，傳熱驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較弱，傳熱系數(shù)較低。在低熱流密度下，傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而緩慢增大；隨著熱流密度的進(jìn)一步提高，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)速度逐漸加快，但整體增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小。這是因?yàn)檩^低的安全殼內(nèi)溫度使得工質(zhì)吸收的熱量相對(duì)較少，氣泡的生成和運(yùn)動(dòng)不夠活躍，熱量傳遞相對(duì)較慢。當(dāng)安全殼內(nèi)溫度升高到70℃時(shí)，工質(zhì)與安全殼內(nèi)氣體之間的溫差增大，傳熱驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，傳熱系數(shù)有所提高。在低熱流密度下，傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而穩(wěn)步增大；在較高熱流密度下，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)速度加快，且增長(zhǎng)幅度比50℃時(shí)更為明顯。這是因?yàn)檩^高的安全殼內(nèi)溫度為工質(zhì)提供了更多的熱量，促進(jìn)了氣泡的生成和脫離，增強(qiáng)了液體的擾動(dòng)，從而提高了傳熱效率。當(dāng)安全殼內(nèi)溫度達(dá)到90℃時(shí)，工質(zhì)的蒸發(fā)速度加快，氣泡的生成和運(yùn)動(dòng)更加劇烈，傳熱系數(shù)顯著提高。在整個(gè)熱流密度范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而迅速增大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)較為穩(wěn)定。這是因?yàn)榇藭r(shí)工質(zhì)與安全殼內(nèi)氣體之間的溫差較大，熱量傳遞更加迅速，氣泡的頻繁生成和脫離有效地促進(jìn)了熱量的傳遞。當(dāng)安全殼內(nèi)溫度繼續(xù)升高到110℃時(shí)，雖然傳熱驅(qū)動(dòng)力進(jìn)一步增強(qiáng)，但由于工質(zhì)處于過熱狀態(tài)，蒸汽的產(chǎn)生速度過快，可能導(dǎo)致氣液分布不均勻，出現(xiàn)蒸汽短路等問題，使得傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，甚至在高熱流密度下出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)檫^高的安全殼內(nèi)溫度使得工質(zhì)的蒸發(fā)過程過于劇烈，氣液兩相的流動(dòng)失去平衡，影響了熱量的有效傳遞。安全殼內(nèi)溫度對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)有著顯著的影響。適當(dāng)提高安全殼內(nèi)溫度可以增強(qiáng)傳熱驅(qū)動(dòng)力，提高傳熱系數(shù)；但過高的安全殼內(nèi)溫度會(huì)導(dǎo)致氣液分布不均勻，影響傳熱性能。在核電安全殼等實(shí)際應(yīng)用中，需要合理控制安全殼內(nèi)溫度，以優(yōu)化分離式熱管的傳熱性能，確保核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4.1.4蒸發(fā)器外蒸氣凝結(jié)換熱系數(shù)對(duì)于傳熱系數(shù)的影響蒸發(fā)器外蒸氣凝結(jié)換熱系數(shù)反映了蒸發(fā)器外蒸氣與冷卻介質(zhì)之間的換熱能力，對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)有著重要的影響。通過數(shù)值模擬，研究了蒸發(fā)器外蒸氣凝結(jié)換熱系數(shù)分別為1000W/(m2?K)、2000W/(m2?K)、3000W/(m2?K)和4000W/(m2?K)時(shí)，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)的變化規(guī)律。在模擬過程中，保持熱流密度為18kW/m2，充液率為42%，管徑為15mm，工質(zhì)為水。當(dāng)蒸發(fā)器外蒸氣凝結(jié)換熱系數(shù)為1000W/(m2?K)時(shí)，蒸發(fā)器外蒸氣與冷卻介質(zhì)之間的換熱較弱，蒸氣凝結(jié)速度較慢，導(dǎo)致蒸發(fā)段內(nèi)的壓力較高，工質(zhì)的蒸發(fā)受到一定抑制，傳熱系數(shù)較低。在低熱流密度下，傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而緩慢增大；隨著熱流密度的進(jìn)一步提高，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)速度逐漸加快，但增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小。這是因?yàn)檩^低的凝結(jié)換熱系數(shù)使得蒸氣的熱量難以快速傳遞給冷卻介質(zhì)，阻礙了工質(zhì)的蒸發(fā)和循環(huán)，從而影響了熱量的傳遞效率。當(dāng)蒸發(fā)器外蒸氣凝結(jié)換熱系數(shù)提高到2000W/(m2?K)時(shí)，蒸發(fā)器外蒸氣與冷卻介質(zhì)之間的換熱增強(qiáng)，蒸氣凝結(jié)速度加快，蒸發(fā)段內(nèi)的壓力降低，工質(zhì)的蒸發(fā)得到促進(jìn)，傳熱系數(shù)有所提高。在低熱流密度下，傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而穩(wěn)步增大；在較高熱流密度下，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)速度加快，且增長(zhǎng)幅度比1000W/(m2?K)時(shí)更為明顯。這是因?yàn)檩^強(qiáng)的凝結(jié)換熱系數(shù)使得蒸氣能夠更快地將熱量傳遞給冷卻介質(zhì)，促進(jìn)了工質(zhì)的蒸發(fā)和循環(huán)，增強(qiáng)了熱量的傳遞能力。當(dāng)蒸發(fā)器外蒸氣凝結(jié)換熱系數(shù)達(dá)到3000W/(m2?K)時(shí)，蒸發(fā)器外蒸氣與冷卻介質(zhì)之間的換熱進(jìn)一步增強(qiáng)，工質(zhì)的蒸發(fā)和循環(huán)更加順暢，傳熱系數(shù)顯著提高。在整個(gè)熱流密度范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而迅速增大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)較為穩(wěn)定。這是因?yàn)榇藭r(shí)蒸氣能夠迅速將熱量傳遞給冷卻介質(zhì)，使得工質(zhì)能夠持續(xù)高效地蒸發(fā)和循環(huán)，有效地提高了熱量的傳遞效率。當(dāng)蒸發(fā)器外蒸氣凝結(jié)換熱系數(shù)繼續(xù)升高到4000W/(m2?K)時(shí)，雖然蒸發(fā)器外蒸氣與冷卻介質(zhì)之間的換熱很強(qiáng)，但由于蒸氣凝結(jié)速度過快，可能導(dǎo)致蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)供應(yīng)不足，出現(xiàn)干涸等問題，使得傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，甚至在高熱流密度下出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)檫^高的凝結(jié)換熱系數(shù)使得蒸氣的熱量傳遞過于迅速，工質(zhì)的蒸發(fā)和循環(huán)無法及時(shí)跟上，導(dǎo)致工質(zhì)分布不均勻，影響了熱量的有效傳遞。蒸發(fā)器外蒸氣凝結(jié)換熱系數(shù)對(duì)分離式熱管蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)有著顯著的影響。適當(dāng)提高蒸發(fā)器外蒸氣凝結(jié)換熱系數(shù)可以促進(jìn)工質(zhì)的蒸發(fā)和循環(huán)，提高傳熱系數(shù)；但過高的凝結(jié)換熱系數(shù)會(huì)導(dǎo)致工質(zhì)供應(yīng)不足，影響傳熱性能。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況合理調(diào)整蒸發(fā)器外蒸氣凝結(jié)換熱系數(shù)，以優(yōu)化分離式熱管的傳熱性能，確保換熱系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。4.2傳熱機(jī)理分析在分離式熱管蒸發(fā)段中，傳熱過程涉及多種復(fù)雜的機(jī)理，其中核態(tài)沸騰傳熱和對(duì)流蒸發(fā)傳熱起著關(guān)鍵作用。核態(tài)沸騰傳熱是蒸發(fā)段傳熱的重要階段。當(dāng)壁面溫度高于工質(zhì)的飽和溫度時(shí)，壁面上的汽化核心開始生成氣泡。這些汽化核心的形成與壁面的粗糙度、液體中的雜質(zhì)以及過冷度等因素密切相關(guān)。壁面上的微小凹坑和凸起能夠?yàn)闅馀莸纳商峁└嗟某珊宋稽c(diǎn)，使得氣泡更容易在這些位置形成。隨著熱量的持續(xù)輸入，氣泡在壁面上不斷生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)過程中，氣泡受到浮力、表面張力和液體粘性力的共同作用。浮力使氣泡有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，表面張力則試圖使氣泡保持球形并阻礙其脫離壁面，液體粘性力則對(duì)氣泡的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力。當(dāng)氣泡所受的浮力大于表面張力和液體粘性力的合力時(shí)，氣泡便會(huì)脫離壁面，進(jìn)入液體主體。氣泡的頻繁生成和脫離過程，極大地?cái)_動(dòng)了壁面附近的液體，增強(qiáng)了液體與壁面之間的傳熱。這是因?yàn)闅馀菰诿撾x壁面時(shí)，會(huì)帶動(dòng)周圍的液體流動(dòng)，形成強(qiáng)烈的對(duì)流，使得熱量能夠更快速地從壁面?zhèn)鬟f到液體中。研究表明，在核態(tài)沸騰階段，傳熱系數(shù)隨著壁面過熱度的增加而迅速增大，這是由于過熱度的增加導(dǎo)致氣泡的生成頻率和脫離速度加快，進(jìn)一步強(qiáng)化了傳