羅新奎，王小軍，羅 云，楊 祺，馮天佑，李 勇，范 超

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

R30在矩形微通道內(nèi)沸騰換熱數(shù)值模擬

羅新奎，王小軍，羅 云，楊 祺，馮天佑，李 勇，范 超

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

利用FLUENT軟件，采用VOF兩相流模型對制冷劑R30在橫截面為0.5 mm×0.5 mm、長為500 mm矩形微通道內(nèi)的沸騰換熱進行了數(shù)值模擬。以制冷劑入口溫度、壓力和質量流率作為變量，得出了典型流型、壁面平均溫度、換熱系數(shù)、截面含氣率等參數(shù)的變化規(guī)律。結果表明，提高制冷劑入口溫度和壓力有利于增強R30在微通道內(nèi)的沸騰換熱，換熱系數(shù)隨著質量流率的增大而增大，隨著截面含氣率的增大而減小。

微通道；沸騰換熱；數(shù)值模擬

0 引言

隨著現(xiàn)代高新技術的快速發(fā)展，微尺度空間內(nèi)的流動與換熱已成為傳熱學的一個重要研究方向[1]。相較于常規(guī)尺度，細微通道內(nèi)的沸騰換熱具有三個特點：（1）充分利用液體相變潛熱，制冷劑用量少，散熱量大；（2）微通道換熱器體積小、重量輕、便于安裝；（3）適用范圍廣，可靠性高。目前，微通道沸騰換熱技術已經(jīng)廣泛應用于材料加工、核電站堆芯冷卻、火箭引擎冷卻等領域[2-4]。

利用FLUENT軟件，采用VOF兩相流模型，對制冷劑R30在矩形微通道內(nèi)的沸騰換熱過程進行了數(shù)值模擬，分別就制冷劑入口為40℃、102.21 kPa和60℃、198.34 kPa時不同質量流率的影響進行了研究。得出了典型流型、壁面平均溫度、換熱系數(shù)等參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，分析了截面含氣率的影響，為高熱流密度下微通道換熱器的設計提供參考。

1 物理模型與網(wǎng)格劃分

選取了橫截面為0.5 mm×0.5 mm，長為500 mm的矩形微通道，利用Gambit軟件進行建模和網(wǎng)格劃分，由于結構具有對稱性，因此將模型簡化為二維，如圖1所示。為了提高計算精度，對通道壁面進行了網(wǎng)格加密處理，對所有計算均進行了網(wǎng)格無關性驗證，保證結果為網(wǎng)格無關解。

圖1 微通道幾何模型圖Fig.1 Geometric model of the microchannel

2 數(shù)學模型及控制方程

VOF模型是一種在固定的歐拉網(wǎng)格下追蹤各相交界面的方法，適用于模擬一種或多種互不相融流體間的交界面，例如分層流、自由面流動、晃動等。VOF模型中不同的流體組分共用一套動量方程，計算時在全流場的每個計算單元內(nèi)都記錄下各相流體的體積分數(shù)。VOF模型的控制方程如式（1）～（5）：

質量守恒方程：

式中：αL、αV分別為液、氣相的體積分數(shù)；ρL、ρV分別為液、氣相的密度；mVL、mLV分別為液、氣相間的質量傳遞；分別為液、氣相的速度；分別為液、氣相的質量分數(shù)源項。

動量守恒方程：

式中：ρ、v→分別為兩相混合的密度、速度；F→為體積力；μ為黏性系數(shù)。ρ由式（4）確定：

能量守恒方程：

3 算法設置與邊界條件

入口邊界條件選擇速度入口（Velocity-Inlet），出口為Outflow，上、下壁面用恒定熱流（Constant Heat Flux）加熱。為加快收斂，選擇壓力隱式算子分割算法（PISO），壓力離散選取PRESTO格式，動量、能量及湍流方程均采用二階迎風格式（Second Or?der Upwind），時間步長取1e-05 s，每個時間步長內(nèi)最大迭代步數(shù)為30步。

R30的標準沸點約為40℃，因此先取40℃、102.21 kPa時的飽和狀態(tài)參數(shù)進行數(shù)值模擬，再將制冷劑入口溫度提高到60℃、198.34 kPa進行模擬，分析二者的差異。此外，研究質量流率對R30在微通道內(nèi)沸騰換熱的影響。模擬工況如表1所列。

表1 模擬工況Table1 Simulated conditions

4 模擬結果分析

4.1 不同工作狀況下的典型流型

如圖2所示，制冷劑入口為40℃、102.21 kPa時，不同質量流率下R30在通道內(nèi)沿程流型的變化情況基本相同，均依次出現(xiàn)了泡狀流、受限泡狀流、擾動流和霧狀流，且前三種流型出現(xiàn)的時間與對應的通道長度都較短，霧狀流為穩(wěn)定流型?？梢钥闯?，首先在通道壁面的氣化核心處開始出現(xiàn)起泡，隨著氣泡的不斷長大、合并，氣泡在徑向受到壁面限制不能進一步生長，只能沿通道長度方向發(fā)展，經(jīng)過氣液兩相的短暫混合后逐漸達到穩(wěn)定的霧狀流。

圖2 工況1、2、3下的典型流型圖Fig.2 Typical regimes under working conditions of 1/2/3

由圖3可看出，提高制冷劑入口工況到60℃、198.34 kPa時，不同質量流率下R30在微通道內(nèi)沿程流型的變化情況與制冷劑入口為40℃、102.21 kPa時基本相同。相同質量流率下，制冷劑入口為60℃時，泡狀流、受限泡狀流和擾動流占據(jù)的通道長度更短，說明R30能更快達到穩(wěn)定流型，且達到霧狀流時液滴的大小、間距都更均勻，說明流動穩(wěn)定性得到改善。

圖3 工況4、5、6下的典型流型圖Fig.3 Typical regimes under working conditions of 4/5/6

4.2 壁面平均溫度、截面含氣率、換熱系數(shù)隨時間的變化

壁面平均溫度、截面含氣率、換熱系數(shù)是表征微通道內(nèi)沸騰換熱特性的主要參數(shù)，就三者隨時間的變化進行分析。

如圖4所示，不同工況下通道壁面平均溫度都隨著時間呈現(xiàn)出先快速上升后趨于穩(wěn)定的趨勢，其中小范圍內(nèi)的溫度波動可能是由于傳熱傳質的不穩(wěn)定性引起的[3]。隨著質量流率的增大，壁面平均溫度顯著降低，制冷劑入口為40℃時，將入口流速從1 m/s增大到2 m/s，壁面平均溫度由600 K降低到500 K，降幅達16.7%。再將入口流速增大到3 m/s，壁面平均溫度降低為470 K左右，降幅為6%。制冷劑入口工況為60℃時，相同質量流率下，壁面平均溫度比制冷劑入口為40℃時明顯下降且溫度的波動較小。結果說明，適當提高制冷劑入口工況不僅可以提高制冷劑使用效率，還有利于改善通道壁面的溫度均勻性。

由圖5可以看出，不同入口工況下截面含氣率都隨時間先快速上升后趨于穩(wěn)定，這是由于制冷劑在通道入口處有一定的過冷度，在進入通道后很短的時間內(nèi)即被加熱氣化，因此截面含氣率先快速升高，當制冷劑流過整個通道后大部分都被氣化，此時截面含氣率不再增大。制冷劑入口溫度、壓力相同時，截面含氣率隨質量流率的增大而降低。相同質量流率下，制冷劑入口為60℃時的截面含氣率比入口為40℃時低，說明制冷劑使用效率有所提高。

圖4 壁面平均溫度隨時間的變化Fig.4 Variation of average wall temperature with time

圖5 截面含氣率隨時間的變化Fig.5 Variation of void fraction with time

由圖6可以看出，不同入口工況下?lián)Q熱系數(shù)都隨時間先快速下降后趨于穩(wěn)定。主要原因是壁面熱流密度較高，制冷劑進入通道后很快就達到沸騰狀態(tài)。隨著截面含氣率快速升高，換熱系數(shù)相應的減小，最終截面含氣率不再增大，換熱系數(shù)也趨于穩(wěn)定值。制冷劑入口為60℃與40℃相比，相同質量流率下，前者的換熱系數(shù)更高，說明提高制冷劑入口工況有利于增強R30在微通道內(nèi)的沸騰換熱。

4.3 截面含氣率的影響

截面含氣率對微通道內(nèi)其他特性參數(shù)有較大影響，可以反映制冷劑在微通道內(nèi)流動沸騰換熱的進行程度及特點。

由圖7可以看出，隨著壁面平均溫度的升高，截面含氣率增大的梯度減小，最終壁面平均溫度與截面含氣率都趨于定值。制冷劑入口溫度相同時，截面含氣率隨質量流率的增大而減小，說明質量流率越大，制冷劑的氣化率越低。

圖6 換熱系數(shù)隨時間的變化圖Fig.6 Variation of heat transfer coefficient with time

圖7 截面含氣率與壁面平均溫度的關系圖Fig.7 Relationship between void fraction and average wall temperature

如圖8所示，換熱系數(shù)隨截面含氣率的增大先快速減小后趨于穩(wěn)定。這是由于截面含氣率較高時通道壁面容易出現(xiàn)局部干涸現(xiàn)象[5]，造成溫度過高，導致傳熱惡化，進而影響整個通道壁面的溫度均勻性。質量流率較大時，制冷劑的氣化率較低，此時雖然換熱系數(shù)較高，但制冷劑的使用效率降低。因此，在實際應用中，應根據(jù)需要選擇適當?shù)馁|量流率[6]。

圖8 換熱系數(shù)與截面含氣率的關系圖Fig.8 Relationship between heat transfer coefficient and void fraction

5 結論

通過對制冷劑R30在微通道內(nèi)沸騰換熱的數(shù)值模擬，將制冷劑入口溫度、壓力及質量流率作為變量，得出了相關參數(shù)的變化規(guī)律，基本結論為：

（1）相同制冷劑入口溫度、壓力下，壁面平均溫度隨著質量流率的增大而明顯下降，截面含氣隨質量流率的增大而降低，換熱系數(shù)隨著質量流率的增大而增大；

（2）將制冷劑入口溫度提高到60℃后，相同質量流率下，壁面平均溫度、截面含氣率都比制冷劑入口溫度為40℃時有所下降，換熱系數(shù)升高，這說明適當提高制冷劑入口溫度、壓力有利于增強R30在微通道內(nèi)的沸騰換熱；

（3）實際應用當中，選擇質量流率時應權衡換熱效率與制冷劑使用效率間的關系，在保證換熱效率較高的前提下，盡可能提高制冷劑使用效率。

[1]Kandlikar S G.Heat transfer mechanisms during flow boiling in microchannels[J].Journal of Heat Transfer，2004，126（2）：8-16.

[2]羅新奎，汪洋，王小軍，等.微細通道氣液兩相流動換熱研究進展[J].真空與低溫，2016，22（5）：249-253.

[3]Karayiannis T G，Mahmoud M M.Flow boiling in microchan?nels:Fundamentals and applications[J].Applied Thermal En?gineering，2016，115：1372-1397.

[4]楊祺.基于FLUENT的紅外窗口主動冷卻裝置數(shù)值模擬分析[J].真空與低溫，2015，21（2）：99-102.

[5]王國棟，鄭平.入口有限制的硅微通道沸騰換熱特性[J]．工程熱物理學報，2008，29（3）：499-502.

[6]吳曉敏.微細通道中R32流動沸騰換熱的數(shù)值模擬[C]//中國工程熱物理學會傳熱傳質學2015年學術會，2015.

NUMERICAL SIMULATION ON BOILING HEAT TRANSFER OF R30 IN RECTANGLE MICROCHANNEL

LUO Xin-kui，WANG Xiao-jun，LUO Yun，YANG Qi，F(xiàn)ENG Tian-you，LI Yong，F(xiàn)AN Chao
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Boiling heat transfer of R30 refrigerant in a rectangle microchannel with the diameter of 0.5 mm×0.5 mm and the length of 500 mm is numerically simulated with FLUENT software using VOF two-phrase flow model.The inlet working condition of refrigerant and mass flow rate are chosen as variables.The law of typical flow regimes，average wall temperature，heat transfer coefficient and void fraction are obtained.The simulation result shows that it is useful to enhance the boiling heat transfer of R30 in micro-channel by increasing the inlet temperature and pressure of the refrigerant. Heat transfer coefficient is increased with the increasing of flow rate and decreased with the increasing of void fraction.

microchannel；boiling heat transfer；numerical simulation

A

1006-7086（2017）02-0120-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.02.012

2016-12-22

羅新奎（1990-），男，甘肅省武威市人，碩士研究生，主要從事空間制冷技術。E-mail：xkluo1020@sina.com。