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申请/专利权人：西安交通大学

摘要：一种基于相似变换的半吸液芯热管稳态传热计算方法，1、确定半吸液芯热管的计算参数，包括几何结构、工质和材料、控制体划分、初始条件；2、施加热管外壁面边界条件；3、建立半吸液芯热管管壁及吸液芯区域控制方程；4、建立半吸液芯热管蒸气区控制方程；5、迭代求解系统控制方程；6、计算结束，输出计算结果。本发明考虑半吸液芯热管内部的蒸气工质流动特性，基于相似变换理论建立半吸液芯热管的蒸气控制方程，针对不同几何尺寸及边界条件的半吸液芯热管进行数值模拟计算，进而获得半吸液芯的稳态传热特性和蒸气流动特性，为热管的工程应用及分析计算提供建议与指导。

主权项：1.一种基于相似变换的半吸液芯热管稳态传热计算方法，其特征在于：步骤如下：步骤1：初始化半吸液芯热管计算参数：确定半吸液芯热管的几何参数；给定管壁、吸液芯、工质的材料；构建热管二维计算域，将热管的蒸发段、绝热段、冷凝段分别划分为i、j、k层控制体，将热管的管壁、吸液芯、蒸气区分别划分为l、m、n层控制体；确定热管的蒸发段加热功率和冷凝段对流换热系数；设定各控制体节点迭代初始温度；步骤2：为热管壁面最外层控制体施加边界条件：蒸发段控制体采用第二类热流边界条件，绝热段控制体采用第二类绝热边界条件，冷凝段控制体采用第三类对流边界条件，分别如式1-式3所示： 式1-式3中：kwall——管壁材料的热导系数W·m-1·K-1；Twall,i——热管蒸发段最外层控制体温度K；Twall,j——热管绝热段最外层控制体温度K；Twall,k——热管冷凝段最外层控制体温度K；Tc,k——热管冷凝段对流参考温度K；qi——热管蒸发段控制体输入热流密度W·m-2；hk——热管冷凝段控制体对流换热系数W·m-2·K-1；n——法向方向m；步骤3：建立半吸液芯热管管壁及吸液芯区域控制方程：忽略吸液芯中的工质流动，将吸液芯区域视为由工质与吸液芯材料组合的固体，对管壁区域和吸液芯区域均采用无内热源的稳态热传导方程如式4、式5所示： 式4、式5中：Twall——热管壁面控制体温度K；Twick——热管吸液芯控制体温度K；kwick,e——热管吸液芯的等效热导系数W·m-1·K-1；热管吸液芯的等效热导系数由式6计算： 式6中：ε——热管吸液芯的孔隙率；kl——热管吸液芯内工质的热导系数W·m-1·K-1；kwick,s——热管吸液芯材料的热导系数W·m-1·K-1；在吸液芯与蒸气区的交界处下称气液界面处为吸液芯控制体施加边界条件，对于吸液芯，仅需要能量方程的边界条件；忽略吸液芯向蒸气区的热传导，认为热量仅以相变潜热的形式传递，则边界如式7所示： 式7中：Twick,mn——气液界面处的吸液芯控制体温度K；qfg——以相变潜热形式传递的热流密度W·m-2；qfg由气液界面的质量通量进行计算，如式8、式9所示：qfg＝mi·hfg8 式8、式9中：mi——气液界面上的控制体质量蒸发率kg·m-2·s-1；hfg——汽化潜热kJ·kg-1；α——蒸发冷凝调节系数；M——工质的摩尔质量g·mol-1；Rg——通用气体常数8314J·kmol-1·K-1；Pwick,mn——气液界面处的吸液芯控制体液态工质饱和压力Pa；Pvapor,mn——气液界面处的蒸气区控制体蒸气饱和压力Pa；Twick,mn——气液界面处的吸液芯控制体液态工质饱和温度K；Tvapor,mn——气液界面处的蒸气区控制体蒸气饱和温度K；步骤4：建立半吸液芯热管蒸气区控制方程：假设流动不可压缩，流体物性恒定且已充分发展，所有壁面为无滑移边界条件，半吸液芯结构的壁面侧完全绝热，则蒸气空间内的流动用二维定常不可压缩层流Navier-Stokes方程描述，如式10所示： 式10中：U——蒸气轴向速度m·s-1；V——蒸气纵向速度m·s-1；P——蒸气压力Pa；ρ——蒸气密度kg·m-3；ν——蒸气动力粘度系数m2·s-1；而连续性方程为： 由于吸液芯侧会因为蒸发和冷凝产生速度大小为V0，沿y方向吸收或喷射的蒸气，规定V0＞0时吸收，V0＜0时喷射，则流动过程的边界条件如式12所示： 式12中：D——蒸气区的特征长度m；分别定义无量纲长度、流函数、相似纵向速度和无量纲场函数，如式13-式17所示： 式13-式17中：ω——无量纲长度；f——无量纲场函数；ψ——流函数；V*——相似纵向速度m·s-1；U0——x＝0处的平均蒸气轴向速度m·s-1；流函数ψ自动满足连续性方程式11，而根据流函数定义，蒸气的流场由式18、式19表示： 将式13-式19代入式10，化简整理得： 式18-式21中：f′——无量纲场函数的一阶导数；f″——无量纲场函数的二阶导数；f″′——无量纲场函数的三阶导数；由于式21右侧仅是ω的函数，则对x求导可得： 再将式20对ω求导，带入式22即得到相似变换后的速度压力控制方程： 式23、式24中：Re0——壁面雷诺数；新的流动边界条件转变为： 上述方程中物性采用显示计算，无需耦合能量方程；得到蒸气速度压力分布后，由于气液界面处的边界条件已在式7获得，蒸气温度分布通过能量方程求解： 式26中：cp,vapor——蒸气的比热容J·kg-1·K-1；kvapor——蒸气的等效热导系数W·m-1·K-1；Tvapor——蒸气区控制体温度K；获得V0需要借助气液界面处的热流密度，则结合式7、式8得到： 式27中：w——产生蒸气的总周长m；l——气液界面上的控制体轴向长度m；步骤5：离散各个控制体的控制方程，转化为求解非线性常微分方程组的边值问题，采用四阶Runge-Kutta法；设定最大迭代次数p和迭代容许误差e；从设定的初始温度开始迭代计算，在每次迭代中判断温度矩阵是否满足收敛准则式28：max|Tnx,y-Tn-1x,y|＜e28式28中：Tnx,y——第n次迭代中的控制体温度K；Tn-1x,y——第n-1次迭代中的控制体温度K；如果满足式28，则达到收敛，结束计算；否则继续判断：如果迭代次数＞最大迭代次数p，则结果不收敛，结束计算；否则用Tnx,y更新物性参数，重复步骤3至步骤5；步骤6：计算结束，输出迭代结果，输出热管管壁和吸液芯区域的温度计算结果，输出热管蒸气区的速度、压力、温度计算结果。

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