【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及热管传热状态分析，具体涉及一种径向旋转热管的瞬态数值计算方法。
技术介绍
1、热管是一种被动传热装置，因其采用气液相变进行能量传导能以最小的损失提供高效导热性能，热管在传热系统中得到了广泛应用。旋转热管是使用旋转离心力作为驱动工作介质从冷凝段回流至蒸发段液池的驱动力。根据旋转热管的轴线与旋转轴的位置，可以将热管分为热管轴线与旋转轴重合的轴向旋转热管；热管轴线与旋转轴垂直的径向旋转热管；热管轴线与旋转轴不重合(不相交或者相交但不垂直)的回转热管。其中径向旋转热管不需要吸液芯，结构简单、启动响应速度快、在高速旋转时可维持高效导热能力的特点，使得其广泛应用于航空发动机、车辆工程、精密磨削加工、高速电动机冷却等领域。因此对于离心力场作用下的相变传热传质的研究，有助于优化旋转热管的设计，提高相变传热装置的性能。
2、径向旋转热管与重力热管的原理十分相似，它们的主要区别在于热管工质的回流驱动力不同，径向旋转热管的回流动力为离心力，而重力热管的回流驱动力为重力，因此当前径向旋转热管的传热理论是借鉴了重力热管的分析方法。但是现有重力热管理论大多忽略沿管长轴向的压力差，认为热管内部饱和温度和压力与位置无关。由于径向旋转热管内沿轴向方向存在压力梯度，假设热管内蒸汽始终处于饱和状态，管内的蒸汽温度与其所处位置的压力状态密切相关。因此有必要建立热管沿轴向的饱和压力和饱和温度求解方法。
3、此外，在热管瞬态运行中，热管中的系统压力随着相变界面发生汽化和冷凝而改变。典型的热管边界条件是以蒸发段热流密度边界或者温度边界条
技术实现思路
1、鉴于上述问题，本专利技术提供了一种径向旋转热管的数值计算方法，该方法能够运用计算流体力学手段对高转速及复杂热载荷环境热管的运行进行计算，解决了现有技术中径向旋转热管的数值计算的稳定性以及收敛性有限的技术问题。
2、本专利技术提供了一种径向旋转热管的瞬态数值计算方法，包括以下步骤：
3、步骤s1、基于径向旋转热管结构，建立径向旋转热管的瞬态数值计算环境，对所述数值计算环境进行初始条件设定；
4、步骤s2、针对径向旋转热管的气液和气固交界面，获取所述交界面处气相工质的相变速率、密度和交界面压力；
5、步骤s3、在计算区域添加旋转离心力和科里奥利力，获取沿热管轴向的饱和温度和饱和压力；
6、步骤s4、基于步骤s2和步骤s3获取的参数，对径向旋转热管内的流动传热进行计算，获取热管内部气液相的瞬态分布状态、速度分布和温度场；
7、步骤s5、检查计算是否满足收敛条件，如果满足收敛条件，则进行下一时间步长的计算，否则返回步骤s2，直至完成所有时间步长的模拟计算。
8、优选地，步骤s1具体包括：
9、步骤s1-1、通过几何模型建立软件，依据真实情境中的径向旋转热管，创建三维径向旋转热管几何模型；
10、步骤s1-2、通过网格划分软件对步骤s1-1获得的所述三维径向旋转热管几何模型进行网格划分，划分得到的网格包括流体域网格和固体域网格；
11、步骤s1-3、将步骤s1-2划分得到的网格导入到计算流体力学软件，分别将热管蒸发段外壁面和冷凝段外壁面设置为热流边界条件和对流换热边界条件，其余外壁面设置为绝热壁面，并依据真实情境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温度，设置初始液池区域；
12、步骤s1-4、设置瞬态计算所需要的初始条件，包括设置初始化温度场和工质气液相分布、设置初始蒸汽区域工作压强为当前温度下的饱和压力以及计算初始时刻的蒸汽总质量和总体积。
13、优选地，使用几何模型建立软件solidworks、网格划分软件icem、计算流体力学软件fluent建立所述径向旋转热管的瞬态数值计算环境。
14、优选地，所述三维径向旋转热管几何模型包括热管蒸发段管壳、绝热段管壳、冷凝段管壳、液池以及蒸汽芯。
15、优选地，使用纯六面体网格对计算区域进行网格划分。
16、优选地，步骤s2具体包括：
17、步骤s2-1、针对气液和气固交界面位置的单层网格，获取蒸发和冷凝过程的交界面网格信息；
18、步骤s2-2、基于所述交界面网格信息，获取所述交界面网格的蒸发冷凝速率、气相密度、交界面压力。
19、优选地，步骤s3具体包括：
20、步骤s3-1、采用用户定义程序udf添加源项施加旋转离心力，获取热管内蒸汽区和液池区的轴向饱和压力分布，获取热管轴向饱和温度分布；
21、步骤s3-2、采用用户定义程序udf添加源项施加科里奥利力。
22、优选地，步骤s4具体包括：
23、步骤s4-1、根据步骤s2-2得到的交界面网格的蒸发冷凝速率，求解连续方程，获得当前时刻热管内部气液相分布状态；
24、步骤s4-2、求解蒸汽腔的动量方程，得到速度分布，并使用压力修正方程对压力进行修正；
25、步骤s4-3、根据步骤s2-2得到的交界面蒸发冷凝速率、交界面压力分别求解流体计算区域和固壁计算区域的能量守恒方程，得到计算区域的温度场。
26、优选地，步骤s5具体包括：检查计算模型的数值解与精确解之间的残差值，当残差值小于1×10-6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，直至完成所有时间步长的模拟计算。
27、与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果：
28、(1)本专利技术采用一种基于热管内部饱和蒸汽密度的瞬态数值计算方法，通过对蒸发和冷凝质量传递过程的分析，能够借助数值模拟方法精确求解热管的瞬态传热特性。
29、(2)本专利技术采用一种考虑沿热管轴向压降的饱和相变模型，通过对径向旋转热管沿轴向饱和压力变化的计算，能够更加精细地模拟出热管的瞬态传热特性。
30、(3)本专利技术采用了一种考虑蒸发段/冷凝段质量流量与气液相界面饱和温度以及压力之间耦合的分析方法，提高了标准顺序程序的稳定性；本专利技术模型独立，方法通用性强，可用于其他类型热管的计算。
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1.一种径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
3.根据权利要求2所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
4.根据权利要求3所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，所述蒸发冷凝速率的计算方式为：
5.根据权利要求3所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
6.根据权利要求5所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，所述热管内蒸汽区轴向饱和压力分布计算方式为：
7.根据权利要求5所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
8.根据权利要求7所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于：
9.根据权利要求7所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，步骤S5具体包括：
10.根据权利要求9所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，步骤s1具体包括：
3.根据权利要求2所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，步骤s2具体包括：
4.根据权利要求3所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，所述蒸发冷凝速率的计算方式为：
5.根据权利要求3所述的径向旋转热管的瞬态数值计算方法，其特征在于，步骤s3具体包括：
...【专利技术属性】
技术研发人员：李果，丁水汀，张雨辰，张国华，黄世玉，唐宇航，周惠敏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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