[发明专利]一种三维平板水热管数值计算方法

权利要求书

1.一种三维平板水热管数值计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：通过几何模型建立软件solidworks依据真实的设计创建平板水热管三维几何模型，该三维几何模型包括管壁、吸液芯、蒸气腔以及蒸发段和冷凝段；

步骤2：运用网格划分软件对步骤1中得到平板水热管几何模型进行网格划分；

步骤3：将步骤2划分的网格导入到计算流体力学软件中，分别将热管的蒸发段和冷凝段设置为热流边界条件和对流边界条件，其他壁面设置为绝热壁面，并依据真实情况设置蒸发段加热的热流密度以及冷凝段的换热系数和冷却剂温度，设置吸液芯的孔隙率；

步骤4：设置瞬态计算所需要的初始条件：设置初始蒸汽质量为0，初始化温度场，并令初始蒸气区域工作压强为当前温度下的饱和压力；

步骤5：采用用户定义程序UDF来计算气液交界面质量流率、吸液芯-蒸气交界面处的温度和压力，以及每个时间步的液体和蒸气密度：

步骤5-1：假设液体工质和蒸气工质的相变发生在吸液芯和蒸气腔界面，根据交界面处的能量守恒方程，计算交界面处的温度T_i：

交界面处的能量守恒方程表示为：

其中：

λ_wick与λ_v分别代表吸液芯以及蒸气腔的热导率，W·m^-1·K^-1；

A_i——交界面面积，m²；

T——温度，其中T_i为交界面温度，K；

y——与交界面垂直方向距离，m；

m_i——交界面质量传递，m_i＜0为蒸发，m_i＞0为冷凝，kg；

h_fg——汽化潜热，J/kg；

C_l——液相定压比热，J/(kg·K)；

C_v——气相定压比热，J/(kg·K)；

假设气液交界面两侧的两个控制体分别为PW及PV，其中PW代表吸液芯一侧，PV代表蒸气腔一侧，将能量守恒方程进行离散，得到交界面处的温度T_i：

其中：

T_PW——交界面附近吸液芯第一层网格温度，K；

T_PV——交界面附近蒸汽腔第一层网格温度，K；

Δx——交界面面积，m²；

根据公式(2)计算出交界面的温度T_i：

步骤5-2：根据步骤5-1得到的交界面的温度，使用Clausius-Clapeyron方程计算交界面压力P_i：

其中：

P_o——参考压力，Pa；

P_i——交界面压力，Pa；

T_o——参考温度，K；

R——气体常数,J/kg；

步骤5-3：对气液交界面质量流率进行计算：

其中：

——交界面质量流率，kg/s；

σ——调节系数；表面张力，N/m；

P_v——蒸气腔压力，Pa；

T_v——蒸气腔温度，K；

步骤5-4：根据理想气体公式和蒸气区域的整体质量平衡计算蒸气区域工作压强，并计算蒸气密度：

其中：

P_op——蒸汽区域工作压强，Pa；

——上一时间步长计算得到的蒸气腔内蒸气质量，kg；

——交界面质量流率，kg/s；

Δt——时间步长，s；

R——气体常数；

V_cell——蒸气腔压力，Pa；

根据流体的不可压缩假设，控制体内的蒸气密度由系统压强计算：

步骤5-5：计算液体的平均密度ρ_l：

在瞬态过程中吸液芯是不饱和的，不考虑不饱和的问题，而采用平均液体密度进行计算来维持液体质量平衡；

计算当前时刻吸液芯内液体质量：

其中：

M_l——吸液芯内液体质量，kg；

——上一时间步长计算得到的吸液芯内液体质量，kg；

——交界面质量流率，kg/s；

Δt——时间步长，s；

根据吸液芯内的液体质量，计算液体的平均密度：

其中：

ε——吸液芯孔隙率；

V_l——吸液芯体积/m³；

步骤6：使用计算流体力学软件对三维平板水热管内的流动传热进行计算：

步骤6-1：根据步骤5得到的交界面质量流率、压力、温度参数分别求解吸液芯和蒸汽腔的动量方程，得到速度分布，并使用压力修正方程对压力进行修正；

步骤6-2：求解计算区域的能量守恒方程，得到计算区域的温度场；

步骤6-3：检查计算是否收敛：当残差值小于0.000001时认为计算达到收敛，如果收敛，则进行下一时间步长的计算，否则返回步骤5继续计算。

2.根据权利要求1所述的一种三维平板水热管数值计算方法，其特征在于：步骤2中，考虑到对热管进行精细模拟对网格质量的要求高，使用纯六面体网格对计算域进行网格划分。