数值研究有相变过程的发散冷却问题

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随着航空航天技术的不断发展,以液体为介质的发散冷却,以其相变潜热高、储存空间小、输运能耗低等特点,成为一种潜在的高效主动冷却方式,因此越来越受到人们的关注。可是,如何对多孔介质内部有相变的两相流动进行数学描述却是一个存在争议的问题。   本文第一部分采用基于焓平衡的两相混合模型(Two—phase Mixture Model,TPMM),对一维、稳态、常物性、有相变过程的发散冷却问题进行了数值研究。结果表明:的确存在前人试验中发现的三个相区:液相区、两相区、气相区;由于两相区的有效热扩散系数极低造成了一种所谓的“隔热层”现象,阻断了极高热流密度向冷端的传递,因此气相区必须单独承担极高热流密度,故引起气相区温度骤升。经过分析发现造成“隔热层”现象的根本因为是由于TPMM模型中引入了第一个和第二个关键假设,即:假设局部流体和固体骨架温度相等,两相区温度为常数。   鉴于TPMM模型存在的上述问题,本文第二部分提出了同样基于焓平衡的改进模型。考虑到在纯物质相变中,两相的吉布斯自由能相等,同时流体导热的影响相对于导热系数较高的固体骨架而言可以忽略,改进模型成功避免了引入TPMM模型中的第一个和第二个关键假设。采用改进模型,对一维、稳态、常物性、有相变过程的发散冷却问题进行了数值研究。结果表明:两相区流体温度分布并不是常数,会出现先升后降的现象;越靠近热端表面,流体和固体骨架之间的局部温差越大,即:局部热非平衡程度越高:随着冷却剂质量流量降低,热端表面热非平衡程度不断升高;由于毛细压力的存在,在两相区中靠近液相区的部分将会出现蒸汽逆流现象。
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