径向热管传热的数值计算及结果分析

　　1 引言

　　目前,能源危机凸现,如何更有效地应用能源、提高能源效率成为全世界关心的问题。能源消费水平在一定程度上反映一个国家的工业发达水平,也间接反映人民生活水平高低[1]。换热器、余热锅炉作为余热回收设备能有效提高能源利用的效率。热管是一高效传热元件,已经广泛用于换热器和余热锅炉。热管根据传热方式不同可分为两种:第一种是轴向热管,其工作介质沿热管轴向流动、热量沿轴向传递;第二种是径向热管,其工作介质是沿热管径向流动、热量沿径向传递[2]。

　　径向热管以其优异的性能,越来越为广大的研究者和商家所青睐。已经在半导体材料生长、标准黑体、温度标定等领域投入使用,并将在其它工业过程装备上可望获得更广泛的应用,如硫酸工业热管省煤器、炼油厂常减压装置减压蒸馏加热炉炉管等[3, 4]。

　　然而它的研究没有系统化,只是对一些具体的应用进行研究和其在特定环境下的性能描述。而且,径向热管还没得到普遍的应用,仅应用于很有限的场合。因此,有必要对它进行系统的理论研究,使它能被更多的人们接受、采用。

　　笔者在对碳钢-水径向热管实验研究的基础上[5],进一步采用数值计算进行分析。数值计算的第一步是对模拟对象建立几何模型,下面简要说明其几何模型。

　　2 模拟对象的几何模型

　　在径向热管轴向上的换热情况是相同的,因此取径向热管的截面作为分析的对象,在建立模型时只需采用二维的模型。由于热管的对称性取截面的一半区域即可。实验中用水作为径向热管的工质,制作热管时充入水的平面与内管外壁面的最低点相切。当热管工作并达到平衡时,由于热管内一部分水受热蒸发成为蒸汽,此时水平面低于切点,为了简化数值计算,降低的水位取1mm。文中仅对径向热管的蒸汽工质进行计算,因而液面以下的部分不予考虑。径向热管模型尺寸如图1所示。

　　3 网格划分及边界条件

　　用计算软件自带的前处理软件Gambit来进行建模和划分网格。在选择网格时,应考虑初始化时间、计算花费、数值耗散,对于本文中的二维问题,可以使用四边形网格和三角形网格。文中热管是对称型,形状也比较规则,三角形网格适用性比较高,因此本文对于两种模型都是采用三角形网格。生成之后的流体模型有27024个三角形单元, 23647个节点。管壁模型有14994个三角形单元, 14520个节点。

　　边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值,它是数值分析的关键部分。定义的模型以及模型的边界条件如图2(i)、(ii)所示。

　　管壁边界: a、b设定为对称边界,在对称边界中不需要定义任何边界条件。但必须谨慎地定义对称边界的位置。c边界区域定义为轮廓函数而不是常值,本文采用UDF创建对流换热系数的轮廓函数,通过解释导入。d为辐射热传导边界条件,选择P-1辐射模型,需要设定内部发散率以及黑体温度。假设a边界绝热不发生任何传热现象。