基于CFD方法的相变换热数值模拟与应用基础研究

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本文采用数值方法研究伴有相变的传热传质问题,以板式冷凝换热器和管壳式相变蓄热单元为应用背景,采用CFD方法数值分别模拟了冷凝和融化过程。主要研究内容如下:   (1)建立了平行平板通道内冷凝过程数值模拟的VOF模型。冷凝过程模型通过在VOF模型守恒方程中施加源项实现。本文研究和探讨了适合CFD数值模拟的源项,并研究了影响冷凝传热的各项因素。   (2)采用紊流模型研究平行平板板通道入口段的冷凝传热现象,源项基于气体分子动力学原理。研究发现由于紊流效应,冷凝传热将会强化。   (3)数值模拟了矩形通道(mini-channel,Dh=1 mm)中的冷凝传热现象,不同质量流量下,讨论了表面张力和通道结构的影响。研究发现在矩形通道中,蒸气小流量情况下,表面张力起将非常重要的作用,在大蒸气大流量情况下,界面剪切力将起决定作用。   (4)建立了用于分析相变蓄热单元蓄热过程的数值模型,包括热流体的对流传热以及填充金属多孔介质相变材料的融化过程。研究了管壳式相变蓄热单元采用泡沫金属对强化传热的影响。与采用纯相变材料相比,填充泡沫金属后相变传热性能可明显提高。研究结果显示泡沫金属的结构参数和热流体入口条件对蓄热单元热性能有着显著的影响。可将本研究建立的数值模型扩展应用于不同类型相变蓄热单元的研究。
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