【Fluent案例10】脉动热管瞬态模拟
概述
脉动热管(pulsating heat pipe,PHP)是一种在热源和冷源之间交换热量的一种非常有效的被动方式，本案例是对二维单回路脉动热管进行了仿真研究，主要从简化假设开始进行仿真，然后逐步展示其过程，并在介绍过程中进行了解释。
这里分析的脉动热管是一个相当简单的热管。首先，它只有一个循环，其次使用二维模型进行分析；充液率为50%，即所使用的液体体积与总体积之比，采用水、水蒸气和空气三相。水表面张力通过文献下表查询。
几何模型及边界条件
1
几何模型尺寸，见下图。PHP的基本过程：当脉动热管底部的水加热时，温度升高，在35℃左右汽化(因为管内有真空)，然后上升，经过绝热段后，蒸汽接触到冷凝段，温度下降，使它冷凝后再返回蒸发段，往复循环此过程。
边界条件，见下图。热流密度非常高，因为管壁太薄，未进行实体建模，通过设置壁面厚度为0.5mm进行定义。
求解设置
2
由于脉动热管具有时间依赖性，且不存在稳态，因此选用了瞬态计算。重力设为负y方向上的9.81 m/s2，其他采用默认值。
脉动热管内的流动称为弹塞流，其特征是一种气液流动，其中气相以被液体“弹塞”隔开的大气泡的形式存在。对于这种流动，VOF(流体体积)方法是最合适的，因为它跟踪相的界面，这对于描述这种流动是非常重要的。
欧拉的三个相是空气，水蒸气和水液体，即使有一个真空管，这是后来定义的，空气仍然被定义为其中一个相。包含空气相的原因是，如果仅定义了水和蒸气，则计算开始时就好像管道中已经有水蒸气一样。勾选隐式体积力。
打开能量方程，以允许相之间进行热量传递。
流动设置为层流，包含粘性加热，之所以选择粘性加热，是因为它包括将壁上的摩擦转化为热量的作用。
保守假定速度为1m/s，其实已经很高了，然后使用以下公式计算Re数：
利用这些值计算Re = 2230。Re＜2300为层流。
添加液态水和水蒸气材料
设置主相与次相。
定义相之间的相互作用。只有两种可能的相互作用:传质和表面张力。两者在PHP中都扮演着重要的角色。首先，传质考虑了管内冷凝和蒸发的影响，其次，表面张力很重要，因为管径很小，液体最终会粘在管壁上。
传质
虽然表面张力随温度而变化，但这里考虑为常数(0.07 N/m)，为简化起见，近似为39℃下的水的表面张力。必须包括壁面粘附，因为PHP的主要特性是水粘附在壁面上。
设置管内真空。操作压力设置为4000(这是饱和温度为29℃时的水饱和压力)，其他参数默认。
设置边界条件
绝热段
初始化。初始温度20℃。设置液体和空气体积分数为0，因为在下一步将被修补。
求解计算，设置时间步长。多相流模拟的最大问题是时间步长必须足够小才能捕捉到相的运动，同时又要足够大才能减少计算时间。选择时间步长为0.00005s，设置步数为120000，作为6秒仿真所需的步数。需要的计算时间较长。
计算结果收敛后，结果与预期基本一致，即出现水粘在壁面上、形成了液体柱、液体振荡现象。
