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?。采用了不同維度的簡化模型，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)對流體的仿真模擬，而冷凝液滴的聚集狀態(tài)屬于介觀問題，進(jìn)一步準(zhǔn)確模擬應(yīng)該采用格子玻爾茲曼方法。
課題來源
本課題來自于《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會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。由此我們設(shè)想，通過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
為簡便起見，我們先創(chuàng)建了二維單相的模型，以液態(tài)水為流動相，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(沿流動方向的穩(wěn)態(tài)溫度分布截面圖)
左側(cè)對應(yīng)無微結(jié)構(gòu)的表面，右側(cè)對應(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，熱流體有機(jī)會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)果來進(jìn)一步分析：
表1 各個模型的熱通量模擬結(jié)果
注：模型間由于幾何尺度不同無橫向比較意義
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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 |
|
無微結(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，無論那種模型傳熱效率都有大幅提高，不過在計(jì)算相變模型的過程中并沒有實(shí)現(xiàn)出滴狀冷凝的效果，可能是Fluent中通過宏觀流體的控制方程來進(jìn)行計(jì)算，而模液滴的接觸角等過程需要介觀方法如LBM等。
