潜热型热功能流体强化换热分析

第24苍第3期工程热物理学报Vol 24 No.3003年5月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSMay,2003潜热型热功能流体强化换热分析白凤武卢文强(中国科学院研究生院物理系,北京100039)摘要本文建立了分析带有相变微胶囊的潜热型热功能流体的流动和换热过程数理模型,应用有限差分法和移动热源进行联合求解,计算结果表明,相变微胶囊的加入,较好地提高了流体的换热性能.获得了相变颗粒大小和体积分数对强化换热態响等结果。计算结果对该类流体的设计和应用提供了理论依据关镳词潜热型热功能流体;有限差分法;移功热源法中图分类号:TK121文献标识码A文章编号:0253-231X(2003)03-0445-03ENHANCED HEAT TRANSFER ANALYSIS OF LATENTFUNCTIONALLY THERMAL FLUIDBAI Feng-Wu LU Wen-Qiang(Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)Abstract A physical model has been developed to analyze the enhanced heat transfer process ofthe latent functionally thermal fluid with microencapsulated phase change material. The problem issolved by the combination of the finite difference method and the moving heat source method. thealculated results reveal that putting the phase change microcapsules into the fuids better improthe heat transfer capabilities of the mixture By the calculations, the effects of capsule radius andconcentration of particles are obtained. The numerical results provide the theoretic basis for theapplication and design of the latent functionally thermal AuidKey words lateat functionally thermal fuid; finite difference method; moving heat source method前言是不可压缩层流牛顿流体。微胶囊颗粒是坚硬的球潜热型热功能流体是由不同方法特制的相变材体,其两相热物性相同且不随温度变化只考虑流料微胺囊和单相传热流体构成的一种固液多相流动充分发展段,忽略流体的粘性耗散和轴向导热,体,是一种集储热与强化传热功能于一身的新型储口温度均匀,且低于融化点温度传热介质。已应用于航天器热控制、电子设备冷却21工作流体换热过程和流化床等领域。根据上述假设,在柱坐标系下,圆管内工作流实际的换热过程是混合物与壁面间的换热,而体的充分发展段能量方程为颗粒的相变过程受到流体与颗粒间的热交换控制(1-902=Rb(4+nam)+S(1)本文针对已有模型没有反映这些物理过程的缺点其中表示温度,P为密度,cp为定压比热,k为建立了新的物理模型,采用新的混合物比热计算公式应用有限差分法和移动热源法的联合求解方法,导热系数,c为微胶囊的体积分数,R和2分别为数值模拟了定壁面热流加热的管道内层流流动的换坐标系下的径向和轴向坐标变量,源项S表示相热过程,分析了其强化换热效果的主要影响参数变微胶囊与流体之间的换热,u为流体速度,下标2换热过程的数理模型∫表示工作流体.充分发展段速度分布:u=2um(1-(R/RD)21基本假设:最大微胶囊体积分数为0.20,忽略颗粒对流体流动的影响和颗粒间的相互作用,流体其中um为平均速度,RD为管子半径收稿日期:2002-1228;修订日期:20030318基金项目国家自然科学基金资助项目(No50176048;No5007602);国家作者简介白风武(1975-),男,吉林九台人,博土生,主要从事两相流iTYH中国煤化工CNMHG446热物理学报单位体积的微胶囊与流体之间的换热量S为:r为颗粒的相界面半径将式(8~10)代入式(7)得S=hpc(Tpu-Ts)/pu其中Tm为相变颗粒的壁面温度,h为颗粒与周围流体的对流换热系数,rp为颗粒的半径22相变微胶囊的相变过程kR2+1+(m+1):Bc,/PaE(1)忽略相变过程液体的流动,颗粒在与流体换热作用下的相变过程可用移动热源法描述:由方程(11)可以看出,混合物的能量方程受相a(rTp) g(r)变物质的体积分数和相变速率的影响at 0O8TE=0r=0,t>03方程的无量纲化及边界条件(4)31方程的无量纲化kp ar=hp(Tp-Iy) r=Tpwot t>0对于本文研究的定壁面热流加热情况下,定义(n=F(,v)0≤r≤rm,t=0如下的无量纲参数:无量纲温度0表示入口温度,q为壁面加热热流,k为流体其中t表示时间,下标p代表相变物质,r为球坐标系下的径向坐标变量,s为球坐标系下相界面所微团导热系数,其值为:kb=A。,无量纲尺度在位置的径向坐标,源项函数g(r)的表达式为为:R=R/RD,z*=z/(RD·Re:Pr),其中:Re=2nBD/,Pr=",v和g(r)=0.0,0