Численное моделирование тепломассопереноса в конденсаторе контурной тепловой трубы на основе гибридной «трехмерной/одномерной» модели


Авторы

Пожилов А. А.*, Храбрый А. И.**

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия

*e-mail: aapozhilov@mail.ru
**e-mail: xbr@list.ru

Аннотация

Приводится методика численного моделирования стационарных режимов тепломассопереноса в конденсаторе контурной тепловой трубы на основе гибридного трехмерного/одномерного подхода. Математическая модель основана на уравнениях баланса массы, импульса и энергии. Предполагается, что модель конденсатора включает пластину радиатора и прикрепленную к ней трубку, по которой течет теплоноситель. Теплоперенос в пластине радиатора и в стенках трубки моделируется на основе трехмерного подхода. Трехмерное уравнение теплопроводности решается численно по методу конечных объемов с использованием неструктурированной расчетной сетки. Тепломассоперенос в трубке рассчитывается в рамках одномерного приближения. Сопряжение трехмерной и одномерной моделей осуществляется на внутренней поверхности трубки. При этом из 3D-модели в 1D-модель передается осредненная по периметру температура внутренней стенки трубки, а в обратном направлении передается температура теплоносителя и коэффициент теплоотдачи. В качестве примера на основе разработанной модели выполнен численный анализ тепломассопереноса в конденсаторе, на пластине радиатора которого (размерами 800×400×5 мм) располагаются три петли трубки, общей длиной 3.2 м. Предполагается, что радиатор и трубка изготовлены из алюминия, а в качестве теплоносителя используется аммиак. Расчеты выполнены при постановке на всех поверхностях условия радиационного теплообмена: на одной из сторон пластины (внешней) — с космосом, температура которого 4 К, а на другой стороне (с прикрепленными трубками) и остальных поверхностях — с окружающей средой, температура которой 290 K. Моделируемый режим работы контурной тепловой трубы определяется подводимой к испарителю тепловой мощностью, составляющей 120 Вт, и перегревом пара на выходе из испарителя, равном 1.2 К. Для данных условий получено, что изменение температуры вдоль наиболее длинной стороны пластины достигает 7 К, а в двух других направлениях поле температуры в пластине практически однородно (изменения менее 1 К). Неоднородность распределения температуры по периметру стенки трубки оценивается величиной 1 К. Линейная плотность теплового потока, отводимого от трубки в пластину радиатора, значительно меняется по мере продвижения теплоносителя по трубке, а именно от 70 до 25 Вт/м. Максимальная разница между температурой теплоносителя и температурой стенки трубки достигает 4 К.

Ключевые слова

численное моделирование, сопряженный тепломассоперенос, конденсатор контурной тепловой трубы

Библиографический список

  1. Майданик Ю.Ф. Контурные тепловые трубы — высокоэффективные теплопередающие устройства // Инновации. 2003. № 5. С. 83–86.

  2. Maydanik Y.F. Loop heat pipes // Applied Thermal Engineering. 2005. V. 25. N 5-6. P. 635–657. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2004.07.010.

  3. Launay S., Sartre V., Bonjour J. Analytical model for characterization of loop heat pipes // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2008. V. 22. N 4. P. 623–631. DOI: 10.2514/1.37439.

  4. Ku J., Ottenstein L., Douglas D., Hoang T. Multi-evaporator miniature loop heat pipe for small spacecraft thermal control — part 1: New technologies and validation approach // 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2010. art. no. 2010-1493. 13 p.

  5. Siedel B., Sartre V., Lefevre F. Complete analytical model of a loop heat pipe with a flat evaporator // International Journal of Thermal Sciences. 2015. V. 89. P. 372–386. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2014.11.014.

  6. Ramasamy N.S., Kumar P., Wangaskar B., Khandekar S., Maydanik Y.F. Miniature ammonia loop heat pipe for terrestrial applications: Experiments and modeling // International Journal of Thermal Sciences. 2018. V. 124. P. 263–278. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2017.10.018.

  7. Буз В.Н., Гончаров К.А., Антонов В.А. Моделирование динамических характеристик контурной тепловой трубы с регулятором // Труды 4-й РНКТ. Том 5. Испарение, конденсация. Двухфазные течения. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. С. 61–64.

  8. Li Y.-Z., Wang Y.-Y., Lee K.-M. Dynamic modeling and transient performance analysis of a LHP-MEMS thermal management system for spacecraft electronics // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2010. V. 33. N 3. P. 597–606.

  9. Nishikawara M., Nagano H., Kaya T. Transient thermo—fluid modeling of loop heat pipes and experimental validation // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2013. V. 27. N 4. P. 641–647.

  10. Colella F., Rein G., Borchiellini R., Torero J.L. A novel multiscale methodology for simulating tunnel ventilation flows during fires // Fire Technology. 2011. V. 47. N 1. P. 221–253. DOI: 10.1007/s10694-010-0144-2.

  11. Colella F., Rein G., Verda V., Borchiellini R. Multiscale modeling of transient flows from fire and ventilation in long tunnels // Computers and Fluids. 2011. V. 51. N 1. P. 16–29. DOI: 10.1016/j.compfluid.2011.06.021.

  12. Nobile F. Coupling strategies for the numerical simulation of blood flow in deformable arteries by 3D and 1D models // Mathematical and Computer Modelling. 2009. V. 49. N 11–12. P. 2152–2160. DOI: 10.1016/j.mcm.2008.07.019.

  13. Papadakis G. Coupling 3D and 1D fluid-structure-interaction models for wave propagation in flexible vessels using a finite volume pressure-correction scheme // Communications in Numerical Methods in Engineering. 2009. V. 25. N 5. P. 533–551. DOI: 10.1002/cnm.1212.

  14. Papukchiev A., Lerchl G. Extension and application of the coupled 1D-3D thermal-hydraulic code Athlet-ANSYS CFX for the simulation of liquid metal coolant flows in advanced reactor concepts // Proceedings of 20th International Conference on Nuclear Engineering and the ASME 2012 Power Conference, ICONE. 2012. V. 4. N 1. P. 563–573. DOI: 10.1115/ICONE20-POWER2012-54872.

  15. Corzo S., Ramajo D., Nigro N. 1/3D modeling of the core coolant circuit of a PHWR nuclear power plant // Annals of Nuclear Energy. 2015. V. 83. art. no. 4497. P. 386–397. DOI: 10.1016/j.anucene.2014.12.035.

  16. Зайцев Д.К., Пожилов А.А., Смирнов Е.М., Смирновский А.А. Численное моделирование сопряженного тепломассопереноса в испарителе контурной тепловой трубы // Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ’2016): Труды Международной научной конференции. Архангельск, 28 марта — 1 апреля, 2016. С. 512–520.

  17. Dussinger P.M., Sarraf D.B., Anderson W.G. Loop heat pipe for TacSat-4. // AIP Conference Proceedings. 2009. V. 1103. Iss. 1. P. 91–100.

  18. Pozhilov A.A., Zaitsev D.K., Smirnov E.M., Smirnovsky A.A. Numerical simulation of heat and mass transfer in a 3D model of a loop heat pipe evaporator // St. Petersburg Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics. 2017. V. 3. N 3. P. 210–217. DOI: 10.1016/j.spjpm.2017.09.013.

  19. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

  20. Turner J.M. Annular two-phase flow. Ph.D. Dissertation. Dartmouth College, Hanover, NH. 1966.

  21. Traviss D.P., Rohsenow W.M., Baron A.B. Forced convection condensation in tubes: A heat transfer correlation for condenser design // ASHRAE Trans. 1973. V. 79. part 1. P. 157–165.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024