激光表面改性強(qiáng)化傳熱的數(shù)值模擬
作者：張有弛 王鴻奎 黃逸帆 化工系
指導(dǎo)老師：王玉軍 化工系
關(guān)鍵詞：CFD、有限元仿真、表面改性、滴狀冷凝
摘要
本項(xiàng)目基于ANSYS Fluent流體模擬軟件進(jìn)行了金屬表面的傳熱模擬，對(duì)比了光滑金屬表面和有微結(jié)構(gòu)的金屬表面?zhèn)鳠嵝实牟町悺２捎昧瞬煌S度的簡(jiǎn)化模型，其中二維模型和三維模型都顯示存在微結(jié)構(gòu)的表面能使得熱邊界層有效減薄，換熱效率大幅提高。在進(jìn)行三維模型的冷凝換熱研究中發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有復(fù)現(xiàn)出滴狀冷凝的效果，其原因在于Fluent軟件中采用求解宏觀流體控制方程的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的仿真模擬，而冷凝液滴的聚集狀態(tài)屬于介觀問(wèn)題，進(jìn)一步準(zhǔn)確模擬應(yīng)該采用格子玻爾茲曼方法。
課題來(lái)源
本課題來(lái)自于《化工原理》和《實(shí)驗(yàn)室科研探究-激光表面改性》的啟發(fā)，在化工原理中我們知道蒸汽在換熱器金屬表面冷凝時(shí)會(huì)因金屬表面能的不同呈現(xiàn)出液滴或者液膜的狀態(tài)，雖然液滴冷凝的傳熱效率是更高的，但是大多數(shù)情況下由于金屬表面能高，只能膜裝冷凝。在一節(jié)機(jī)械系紹天敏老師的實(shí)驗(yàn)室科研探究課中，我們了解到可以采用激光刻蝕的方法降低金屬表面能，從而實(shí)現(xiàn)其超疏水，控制滴狀冷凝。由此我們?cè)O(shè)想，通過(guò)金屬表面的激光刻蝕，起到強(qiáng)化傳熱的作用，并準(zhǔn)備用計(jì)算模擬的方法進(jìn)行驗(yàn)證。
模型及求解結(jié)果
為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我們先創(chuàng)建了二維單相的模型，以液態(tài)水為流動(dòng)相，與恒溫冷壁面進(jìn)行換熱：
圖1 二維單相傳熱的幾何模型
圖2 二維單相模型求解結(jié)果(穩(wěn)態(tài)溫度分布圖)
左側(cè)為高表面能光滑表面，右側(cè)有壁面微結(jié)構(gòu)
進(jìn)一步建立三維幾何模型，仍用液態(tài)水單相換熱的情況完成計(jì)算，模型及結(jié)果如下：
圖3 三維幾何結(jié)構(gòu)
左側(cè)為光滑的換熱界面，右側(cè)有微結(jié)構(gòu)
圖4 三維單相傳熱模型的計(jì)算結(jié)果(沿流動(dòng)方向的穩(wěn)態(tài)溫度分布截面圖)
左側(cè)對(duì)應(yīng)無(wú)微結(jié)構(gòu)的表面，右側(cè)對(duì)應(yīng)引入微結(jié)構(gòu)的表面
三維有相變的模型求解結(jié)果溫度分布情況與三維單相類(lèi)似，不予展示。
從以上結(jié)果可以看出，表面存在微結(jié)構(gòu)時(shí)，熱流體有機(jī)會(huì)直接接觸到金屬表面，這一部分界面不存在熱邊界層的巨大傳熱阻力，可能提高傳熱效率，從下表的熱通量計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)一步分析：
表1 各個(gè)模型的熱通量模擬結(jié)果
注：模型間由于幾何尺度不同無(wú)橫向比較意義
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傳熱通量W |
二維單相模型 |
三維單相模型 |
三維有相變模型 |
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無(wú)微結(jié)構(gòu) |
30327.998 |
7.143 |
8.113 |
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有微結(jié)構(gòu) |
64660.705 |
13.556 |
12.558 |
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改性后提高比例 |
113.2% |
89.9% |
54.8% |
可以看出引入表面改性的微結(jié)構(gòu)之后，無(wú)論那種模型傳熱效率都有大幅提高，不過(guò)在計(jì)算相變模型的過(guò)程中并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)出滴狀冷凝的效果，可能是Fluent中通過(guò)宏觀流體的控制方程來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而模液滴的接觸角等過(guò)程需要介觀方法如LBM等。
