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毛细蒸发器流场数值模拟研究

作　者: 马正军
导　师: 郑洪涛
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 碱金属热电转换器毛细蒸发器多孔介质相变数值模拟 VOF
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 225次
引　用: 5次
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内容摘要

本文研究的对象是碱金属热电转换器(AMTEC-Alkali Metal Thermal to Electric Converter)上的毛细蒸发器,其用途是在其内部的多孔介质内发生蒸发和毛细力的提升,为碱金属热电转换器正常的工作提供循环动力。作者对毛细蒸发器的含多孔介质的相变流场进行了数值模拟,计算结果对毛细发生器的设计具有指导作用。本文采用二维轴对称、含多孔介质的流体体积函数(VOF)模型来模拟毛细蒸发器内部的稳态物理过程,模型综合考虑了毛细蒸发器中相变与流动传热情况,跟踪气液相界面的位置。本文对CFD商业计算软件FLUENT进行二次开发,通过自定义函数模拟出液态钠在毛细蒸发器内部蒸发的物理过程,详细研究了热负荷、冷凝温度、循环流量、毛细芯结构参数(孔隙率、有效孔径、渗透率)对毛细蒸发器性能的影响。得到了系统在不同工况条件下运行的相态场、温度场、速度场、密度场、压力场和沿毛细蒸发器中心线上液相体积分数、密度、压力的变化曲线。数值计算结果表明在一定的热负荷下,毛细蒸发器处于带状蒸发状态,越靠近加热壁面的局部蒸发面上蒸发越剧烈,蒸发过程发生在相界面上的每一处地方；温度场、液相体积分数场、密度场有清晰的分界面来隔开液相区、两相区和蒸汽区,并且本文所模拟出的温度分布与加热功率以及功率分配与相关文献数值计算和实验结果基本一致。多孔介质参数(孔隙率、有效孔径和渗透率)对毛细蒸发器性能的影响主要表现在相界面位置和其内部流动阻力的变化,随着孔隙率和渗透率的增加,相变界面逐渐侵入到毛细芯深处,流动阻力不断减小；有效孔径主要影响流场阻力和毛细力的变化,而对相变界面的影响很小。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-29
  1.1 研究的目的和意义  11-12
  1.2 国内外研究现状、水平和发展趋势  12-27
    1.2.1 碱金属热电转换器研究现状  12-17
    1.2.2 毛细蒸发器研究现状  17-24
    1.2.3 毛细蒸发器数值模拟方法研究现状  24-27
  1.3 论文的主要研究内容  27-29
第2章 AMTEC的工作原理及其特性  29-43
  2.1 引言  29
  2.2 AMTEC的系统组成及其特点  29-35
    2.2.1 AMTEC的系统装置  29
    2.2.2 AMTEC的主要组成部件  29-32
    2.2.3 AMTEC的优点  32-35
  2.3 AMTEC的工作原理  35-40
    2.3.1 液阳极AMTEC热力学循环分析  36-37
    2.3.2 气阳极AMTEC热力学循环分析  37-40
  2.4 毛细蒸发器(CAV)概述  40-42
  2.5 本章小结  42-43
第3章数学物理模型  43-57
  3.1 引言  43
  3.2 多孔介质的基本性质、结构参数以及研究方法  43-46
    3.2.1 多孔介质参数  43-45
    3.2.2 多孔介质的研究方法  45-46
  3.3 毛细蒸发器内的相变机理简介及研究方法  46-48
    3.3.1 毛细蒸发器内的蒸发状态和蒸发机制  46
    3.3.2 气液相变界面问题的处理  46-48
  3.4 流场控制方程  48-54
    3.4.1 连续性方程  48-49
    3.4.2 动量方程  49-50
    3.4.3 能量方程  50-51
    3.4.5 VOF方程  51-53
    3.4.6 源项的处理  53-54
  3.5 简化及边界条件  54-55
  3.6 本章小结  55-57
第4章数值计算方法  57-68
  4.1 引言  57
  4.2 CFD模型的离散-有限体积法  57-62
    4.2.1 CFD模型的求解方法概述  57-58
    4.2.2 有限体积法  58-62
    4.2.3 有限体积法中常用的离散格式  62
  4.3 流场数值计算SIMPLE算法分析  62-64
  4.4 用户自定义函数(UDF)  64-67
    4.4.1 UDF功能  65-66
    4.4.2 网格术语  66-67
  4.5 本章小结  67-68
第5章数值模拟结果与分析  68-100
  5.1 引言  68-69
  5.2 外部参数对毛细蒸发器性能的影响  69-86
    5.2.1 热负荷对毛细蒸发器的影响  69-80
    5.2.2 进口处液体温度对相变界面的影响  80-83
    5.2.3 循环流量对相变界面的影响  83-86
  5.3 多孔介质参数对毛细蒸发器的影响  86-99
    5.3.1 孔隙率和渗透率对毛细蒸发器性能的影响  87-96
    5.3.2 有效孔径和渗透率对毛细蒸发器性能的影响  96-99
  5.4 本章小结  99-100
结论  100-102
参考文献  102-111
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  111-112
致谢  112-113
附录  113-115

毛细蒸发器流场数值模拟研究

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