[发明专利]流动沸腾传热精细化模拟方法

说明书

本发明涉及流动沸腾传热精细化模拟方法，基于耦合了VOF和LS方法优势的界面捕捉方法VOSET，充分考虑流固耦合传热、微液层、动态接触角等因素的影响，并引入合理的核化密度模型，构建了一套可适用于三维矩形细微通道内流动沸腾传热研究的数值模拟方法，实现更加合理、精确的流动沸腾传热数值模拟。本发明克服了现有方法在流固耦合传热、界面捕捉、汽泡成核、微液层描述等方面的不足，实现流动沸腾传热过程的准确描述。利用精细化数值模拟方法对流动沸腾流型和传热过程进行仿真，可得到通道内流场、温度场、沸腾流型和加热壁面温度分布等详细的信息，为电子器件高效冷却、航天航空和核能等领域高效两相热管理系统设计提供理论和技术支撑。

技术领域

本发明属于核能、航天航空、电子器件散热技术领域，具体涉及流动沸腾传热精细化模拟方法。

背景技术

随着工业和科技的发展，各种耗能设备的发热量不断增大，需采用高效散热方法保障设备安全稳定运行。传统的散热方式包括风冷、热管冷却、冲击射流冷却等。目前的研究表明，风冷技术可实现的最大换热强度不超过1 MW/m2；冲击射流可实现6 MW/m2的换热强度，但功耗较大，且容易造成设备损伤。微电子设备的局部热流可达到10 MW/m2以上，传统的换热技术已经无法满足要求。沸腾传热是一种常见的现象，如日常生活中烧开水，沸腾过程会发生剧烈的相变，并产生大量的汽泡破坏热边界层，实现高效换热。沸腾换热与传统无相变换热技术相比，在相同的能耗下可较大程度地提高换热强度。因此，沸腾传热被广泛用于核能、航天航空、电子器件散热等领域。

沸腾一般分为池沸腾（大容器沸腾）和流动沸腾，池沸腾主要包含核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾三个状态区域。其中，核态沸腾由于其高换热系数，低过热度的优点，是换热器的最佳工作区域。提高汽化核心密度、降低起始沸腾条件（Onset of nucleateboiling, ONB）是提高核态沸腾传热系数的有效手段。目前众多学者通过改变壁面粗糙度、换热面形状、润湿性等手段来实现这一目的。随着设备热流增大，核态沸腾强度不断增大，当超过临界热流密度（Critical heat flux, CHF）时，大量汽泡生成，连成汽膜覆盖换热表面，导致热阻大大增大，换热表面温度飞升，甚至烧坏设备。因此，通过提高表面润湿性、毛细芯吸以及调控汽泡行为等手段来提高CHF，从而保障设备运行安全是池沸腾研究的另外一个重点。流动沸腾发生时，大量蒸汽产生，与液体混合流动，形成不同的流型，流动传热过程十分复杂。对于常规的宏观管内流动沸腾而言，当热流密度较小时，管内只产生少量汽泡，形成汽泡流；随着热流增大，越来越多汽泡产生，聚并形成延长大汽泡，形成弹状流；大汽泡可能进一步聚并，形成环状流动。不同流型下的换热性能差异较大，因此不同的流型的产生和转变规律是流动沸腾传热的研究重点。此外，一旦热源长时间无法与冷却液体接触，局部温度迅速上升，威胁设备安全运行，但目前流动沸腾CHF的触发机理尚无定论。