微小通道内气液两相流流动及传热机理的研究

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随着微化工及微流体技术的不断发展,微尺寸换热设备的应用更加广泛,微通道及微小通道内两相流流动及传热机理的研究显得越发重要。采用数值模拟的方法对其进行研究,将结果与理论分析的结果相比较,进行相互验证,能够让人们对微尺寸下的流动传热机理有进一步的认识,从而对微流体设备及机械的设计起到指导作用。  本文采用FLUENT软件对微小通道内气液两相流流动与传热特性进行了研究。通过建立微小矩形截面管道的三维数值模型,分析了矩形截面通道内高宽比、进口气相体积分数以及壁面热流密度对管内温度分布、气相分布、气液两相流截面含气率和摩擦系数等参数的影响;同时建立了圆形截面管道的三维模型,分析了其管内两相流动及传热特性。着重分析了相同当量直径的矩形和圆形截面管道内截面含气率及摩擦系数的变化情况。主要工作及结论如下:  1.圆形截面通道内两相流体温度随时间沿管程升高,径向温度差沿管程增大,产生的空泡也增多,沿程截面含气率升高,其中最大的升高幅度达29.5%,同时气相分布范围更广,沿程摩擦系数先突然减小后缓慢增大。  2.对于相同当量直径的矩形截面高宽比的影响,研究结果表明,在不同高宽比矩形截面通道内的两相流体,其高宽比越大,沿程温度越高,径向温度差越大,产生空泡更多,截面含气率也随之升高,最大增幅22.5%,同时气相分布范围也更广,但其高宽比对摩擦系数的影响不大。  3.关于进口处气相体积分数的影响,在本文研究范围内,随进口处气相体积分数的增加,流体沿程温度升高,径向温度差增大,截面含气率上升,最多上升约28%,同时沿程摩擦系数增大,最大增加比重为17.4%。  4.对于通道内热流密度的影响,研究表明,增加壁面热流密度,流体温度上升,管道径向方向上温度差增大,空泡份额(截面含气率)更多,通道出口处最大值达到0.635,管内沿程摩擦系数增大,其中最大增加约20.8%。  5.对比相同当量直径的三种矩形截面管道和圆形截面管道内两相流动及传热情况,研究表明,圆形截面通道内流体温度、含气率、摩擦系数等参数的变化趋势与矩形通道内变化相似,其中在相同条件下高宽比为1.5的矩形截面通道内沿程各点的流体温度上升幅度最大,截面含气率及体积含气率也更高,说明相同条件下其通道内换热效果更好,两相传热性能最优。
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