基于FTM的震荡热管内气泡流数值模拟研究

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振荡热管相比于传统热管具有成本低、换热系数高、灵活性高等特点,是一种优秀的新型换热元件,由于其潜在的高传热能力,热响应快,简单和廉价的结构,因此振荡热管是一种解决电子产品散热的极佳手段。为了深入研究振荡热管内的流型,本文以振荡热管中的毛细管作为研究对象。由于振荡热管内气泡是流型变化的基础,因此研究气泡的运动具有重要的意义。本文采用界面追踪法(Front TrackingMethod,FTM)对毛细管内气泡运动进行了数值模拟研究。本文采用界面追踪法(Front Tracking Method,FTM)对毛细管内气泡运动进行了数值模拟研究。采用计算流体力学的经典问题之一的瑞利-泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor instability即RT不稳定性)验证了FTM算法的准确性。通过模拟发现,密度、粘度、表面张力能有效的影响界面的不稳定性的发展。  本文首先研究了三个气泡的运动,三个气泡呈现三角形分布,通过这样的分布既考虑了气泡的位置关系又考虑了气泡之间的距离。首先分析了三个气泡之间顶角分别为30°、60°、90°时等径气泡的运动,发现气泡的之间的距离会影响气泡融合的是否发生。其次分析了两种不同气泡直径比的运动情况(以顶角为60°为基础),结果发现气泡之间的大小和相对位置不同对气泡的运动过程的影响主要是由于气泡的尾流和回流。再者分析了不同形状下气泡的运动状况,结果发现当椭圆气泡位于顶部时,不会改变流场结构,只是对气泡融合进程有影响;当椭圆气泡位于底部时,此时会改变流场结构,融合过程更复杂。最后分析了气泡数量的影响,从结果可以看出,气泡数量越多,气泡的融合过程就越复杂,甚至出现气泡破裂、裹挟液滴等情况。为了更真实的展现管内的运动状况,通过三维FTM来探究气泡的运动。初步利用三维程序模拟了不同直径单气泡的上升运动以及射流对于气泡的穿透作用。结果发现,气泡的直径大小对于气泡运动过程中的变形有较大的影响,并且韦伯数越大,气泡射流强度越高甚至被穿透。随着气泡数量的增加以及程序从2D到3D,算法的复杂度急剧上升。故此本文利用CUDA实现FTM在GPU上的并行加速计算,从而提升程序的运行效率。
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