申请/专利权人：西安交通大学

申请日：2023-04-28

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN116502555B

主分类号：G06F30/28

分类号：G06F30/28;G06F17/12;G06F119/14;G06F119/08;G06F113/08;G06F113/14;G06F111/10;G06F119/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2023.08.15#实质审查的生效;2023.07.28#公开

摘要：一种碱金属热管吸液芯内部流速压力计算方法，1、确定碱金属热管几何结构，各部件材料及外部环境条件，建立热管模型；2、确定吸液芯中工质熔化界面位置，确定蒸气区连续锋面位置；3、计算气液界面温度分布；4、计算气液界面质量通量以及相变导致的能量通量，更新气液界面边界条件；5、构建吸液芯内液相工质流动方程；6、计算管壁区域和吸液芯区域温度分布；7、迭代求解吸液芯压力和流速分布、管壁和吸液芯温度分布；8、计算完成，输出计算结果。本发明考虑高温热管运行过程中吸液芯内工质流动特性，计算吸液芯内液态工质压力和流速分布，进而获得碱金属热管内部工质的瞬态传热流动特性。为碱金属高温热管设计和工程应用提供建议和指导。

主权项：1.一种碱金属热管吸液芯内部流速压力计算方法，其特征在于：步骤如下：步骤1：确定碱金属热管几何结构，各部件材料及外部环境条件，建立热管模型：划分蒸发段、绝热段和冷凝段，根据热管内部状态划分管壁、吸液芯、蒸气区三部分计算域；蒸发段给定外壁温度或给定热流密度、绝热段给定零温度梯度、冷凝段给定换热系数和参考温度；设置热管整体温度初始条件，设置计算时间步长及计算总步数；步骤2：根据吸液芯内部温度分布，确定吸液芯内工质液固两相分界面位置；通过气液界面转变温度确定蒸气区中连续流动气体与分子流态气体分界面位置；通过式1所示转变温度计算关系式，划分蒸气区流态； 式1中：Ttrans——转变温度K；M——相对分子质量g·mol-1；Ru——通用气体常数J·mol-1·K-1；μ——动力粘度系数Pa·s；ρ——气相工质密度kg·m-3；D——蒸气区直径m；步骤3：计算气液界面温度分布：分子流态部分气液界面采用绝热边界，连续流动气体部分采用能量平衡边界；通过式2所示的绝热边界计算气液界面温度： 式2中T——吸液芯温度分布K；f——气液界面位置；通过式3所示边界计算气液界面温度： 式3中：kwi——吸液芯等效导热系数W·m-2·K-1；mi——气液界面质量通量kg·m-2·s-1；hfg——汽化潜热J·kg-1；步骤4：计算气液界面质量通量以及相变导致的能量通量，更新气液界面边界条件：通过式4所示的拟合函数关系计算气液界面饱和压力： 式4中：Pf——气液界面饱和压力Pa；A、B、C——拟合关系式系数；通过式5、式6所示气体动力学关系式计算气液界面质量通量和能量通量： 式5中：ε——吸液芯孔隙率； ——蒸发冷凝调节系数；M——蒸气区蒸气的摩尔质量kg·mol-1；Tli——气液界面上的节点液态工质温度K；Pli——气液界面上的节点液态工质饱和压力Pa；Tv——蒸气区蒸气的温度K；Pv——蒸气区蒸气的饱和压力Pa；qi——气液界面能量通量J·m-2·s-1；步骤5：构建吸液芯内液态工质流动物理现象及气液界面边界条件构建吸液芯质量、动量守恒方程，得到吸液芯内液态工质压力分布和流速分布描述方程组：吸液芯内液态工质流动连续方程如式7所示： 式7中：ρl——吸液芯内液态工质密度kg·m-3；t——时间s； ——液态工质表观流速矢量m·s-1；A——气液界面上面积m2；吸液芯动量方程如式8所示： 式8中：μl——液态工质动力粘度系数Pa·s；K——吸液芯结构渗透率m2；Pl——吸液芯内部相对压力分布Pa；步骤6:计算管壁区域和吸液芯区域温度分布，对于管壁使用纯导热控制方程，对于吸液芯采用流动换热控制方程；吸液芯部分流动换热控制方程如式9所示： 式13中：ρCPeff——等效质量热容kg·m-3T——热管温度分布Kkeff——等效导热系数W·m-2·K-1；对于管壁区域，流速设为零，各项物性均采用材料自身关系式计算；而对于吸液芯区域，采用Chi模型计算各项物性，物性计算关系式如式10、式11所示；ρceff＝ερlcl+1-ερwscws10 keff——吸液芯的等效热导率W·m-1·K-1ρceff——吸液芯内工质与多孔介质混合等效热容J·kg-1·K-1；cl——吸液芯内液态工质的热容J·m-3·K-1；ρws——吸液芯材料的密度kg·m-3；cws——吸液芯材料的热容J·m-3·K-1；kl——吸液芯内液态工质的热导率W·m-1·K-1；kws——吸液芯材料的热导率W·m-1·K-1；步骤7：计算吸液芯内液态工质压力分布和流速分布，计算管壁及吸液芯温度分布：通过迭代求解吸液芯内流动方程组和管壁吸液芯温度方程组，得到吸液芯内压力和流速分布，以及管壁吸液芯温度分布；采用超松弛迭代法进行线性方程组的求解；对于式12所示的方程组： 改写为式13的形式： ai,j——控制方程左侧系数矩阵第i行第j列元素；bn——控制方程右侧向量第n行元素；xik——解向量第i行元素第k次迭代计算结果；对得出结果进行修改，如式14所示： 式14中：rik+1——第i行迭代残向量；对式13的结果进行变换得； 式15中：ω——松弛因子；迭代时，预设迭代精度ε，判断是否满足如果满足，则停止迭代；如果不满足，则重复此步骤，将xk代入式15计算得到xk+1，直到n次迭代后满足停止迭代，得到吸液芯压力分布及温度分布的近似值；步骤8:当前时间步计算完成，输出计算结果；通过计算结果更新物性，更新气液界面边界条件，进行下一时间步计算。

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