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环路热管主芯中多过程耦合传热现象的理论模型和数值研究

晨怡热管 国科学技术大学 任川;吴清松 2008-8-20 13:08:11
中文摘要: 由于航天热控领域和电子设备散热领域对于高热流密度传热装置的迫切需求,一类基于蒸发潜热吸热、毛细力驱动流体工质循环和定向传输热量机理的自驱动的两相传热装置得以迅速发展起来,并得到了日益广泛的应用。毛细泵环(Capillary Pumped Loop)和环路热管(Loop Heat Pipe)就是其中极具潜力的两种,而其关键性的部件则是蒸发器主芯。由于蒸发器主芯内部的物理过程的复杂性,至今,人们对其工作过程的详细机理,认识还非常有限。本论文通过理论建模、数值模拟和结果分析,对环路热管主芯内部的流动和传热传质过程进行了较为深入的研究,得到了一些有意义的结果。全文工作大致分为两大部分:第一部分包括建立理论模型、确定数值求解方法、验证数值模拟结果的合理性、以及讨论和分析基本的数值模拟结果;第二部分则为理论模型的应用研究,主要包括评估主芯性能、研究单参数影响和多参数影响、以及模拟蒸发器主芯的动态过程和分析其动态响应行为。 首先,针对管壁内侧开有环向次级蒸汽槽与轴向主蒸汽槽相配合的圆柱形蒸发器,本文发展了一个轴对称二维的数学模型来模拟蒸发器主芯内部的稳态/瞬态物理过程。模型综合考虑了毛细驱动对...
英文摘要: In the last decades, because of the demand in thermal management of advanced satellites and spacecrafts as well as cooling of electrical and electronic devices, two auto-driving and two-phase heat transfer devices have been developed and tested, so-called Capillary Pumped Loop (CPL) and Loop Heat Pipe (LHP) which depend on evaporation to absorb heat load and capillary force developed on menisci to drive a working fluid to flow and transfer heat over large distance in a direction. In a CPL/LHP, the eva...
目录:
摘要 5-7
Abstract 7-8
第一章 导论:应用背景、研究现状及本文研究内容 12-36
    §1.1 毛细泵环和环路热管 12-24
        §1.1.1 高效传热装置的迫切需求和对流热控/热管理技术 12-17
            表1-1 热控/热管理技术 16-17
        §1.1.2 基于蒸发潜热传热和毛细力驱动循环工作机理的热控/热管理技术 17-20
            §1.1.2.1 热管简介 17-18
            §1.1.2.2 毛细泵环简介 18-19
            §1.1.2.3 环路热管简介 19-20
        §1.1.3 环路热管的结构、特点、操作原则及发展 20-24
    §1.2 移动界面问题的处理 24-28
        §1.2.1 流体体积函数法(VOF) 25-26
        §1.2.2 等值面法(LS) 26-27
        §1.2.3 孔隙网络模拟(Pore Network Simulation) 27-28
    §1.3 当前研究进展的概述 28-33
    §1.4 本文工作的概述 33-36
第二章 数学物理模型 36-61
    §2.1 多孔介质传热过程:流场模型 36-43
        §2.1.1 多孔介质的相关概念和研究方法 36-37
        §2.1.2 连续性方程的引入 37
        §2.1.3 动量方程的引入,Darcy定律和Brinkman修正 37-39
        §2.1.4 多孔介质中能量方程的引入 39-43
            §2.1.4.1 简单推导过程 39-40
            §2.1.4.2 严格推导过程 40-43
    §2.2 毛细多孔介质中的汽液相界面:界面模型 43-52
        §2.2.1 汽液相界面两侧物理量的联系 43
        §2.2.2 毛细效应和毛细力 43-46
        §2.2.3 相界面移动速度和位移的计算 46
        §2.2.4 毛细泵环/环路热管蒸发器主芯的蒸发状态和毛细管中的蒸发机制 46-49
        §2.2.5 连续性方程和能量方程在全区域适用性的证明 49-52
            §2.2.5.1 连续性方程在全区域适用性的证明 50
            §2.2.5.2 能量方程在全区域适用性的证明 50-52
    §2.3 模拟环路热管蒸发器主芯内部物理过程的模型 52-61
        §2.3.1 控制方程及其在柱坐标系中的展开形式 52-55
        §2.3.2 边界条件、初值条件和相界面条件的嵌入 55-56
            §2.3.2.1 边界条件 55-56
            §2.3.2.2 初值条件 56
            §2.3.2.3 相界面条件的嵌入 56
        §2.3.3 参数取值范围 56-57
        §2.3.4 方程无量纲化 57-61
第三章 数值计算模型和程序实现 61-83
    §3.1 网格设置和方程离散 61-70
        §3.1.1 压力方程的离散 62-64
        §3.1.2 渗流速度的离散 64-65
        §3.1.3 能量方程的离散 65-67
        §3.1.4 连续性方程的离散 67-69
        §3.1.5 边界条件的离散 69-70
    §3.2 界面模型的数值处理 70-75
        §3.2.1 毛细力的计算 70-72
        §3.2.2 相界面移动速度和位移的计算 72-73
        §3.2.3 加热齿壁面附近多孔芯中微气泡的生成和发展以及相界面的变化 73-75
    §3.3 计算方案和程序 75-78
        §3.3.1 离散代数方程组的求解 75-76
            §3.3.1.1 求解三对角系数矩阵的代数方程组的追赶法(TDMA) 75-76
            §3.3.1.2 求解五对角系数矩阵的代数方程组的强隐迭代法(SIP) 76
        §3.3.2 计算方案和程序 76-78
    程序流程图 78-80
    程序结构图 80-83
第四章 数值模拟结果分析 83-102
    §4.1 稳态工况模拟 83-90
    §4.2 关于模型假设的合理性的讨论 90-94
        §4.2.1 环路热管外环路压降(P_(out)—P_(in))的影响 90-92
        §4.2.2 关于其它假设的讨论 92-94
    §4.3 蒸发器主芯正常启动过程的模拟 94-100
    §4.4 本章小结 100-102
第五章 蒸发器主芯性能的评估和参数影响的研究 102-136
    §5.1 热负荷对主芯性能的影响 103-111
    §5.2 有效导热系数对主芯性能的影响 111-120
    §5.3 孔隙率、有效孔径和渗透率对主芯性能的影响 120-132
        §5.3.1 孔隙率和渗透率的影响 120-127
        §5.3.2 有效孔径和渗透率的影响 127-131
        §5.3.3 渗透率与主芯性能 131-132
    §5.4 本章小结 132-135
    表5-1 单参数影响 135-136
第六章 关于多参数影响和动态过程模拟的讨论 136-149
    §6.1 关于多参数影响的讨论:相图 136-142
        §6.1.1 热流密度—有效导热系数平面的相图 136-139
        §6.1.2 热流密度—渗透率平面的相图 139-141
        §6.1.3 关于多参数影响的简单小结 141-142
    §6.2 动态过程的模拟 142-149
        §6.2.1 功率跟随过程(power-step process)的模拟 142-145
        §6.2.2 功率循环过程(power-cycle process)的模拟 145-148
        §6.2.3 关于动态过程模拟的简单小结 148-149
第七章 结论和展望 149-155
    §7.1 本文内容的总结 149-152
        §7.1.1 环路热管主芯内部物理过程模拟的模型、算法和结果 149-150
        §7.1.2 应用研究 150-152
    §7.2 本文的创新点 152-153
    §7.3 建议和展望 153-155
参考文献 155-160
博士期间发表的学术论文 160-161
致谢 161
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