有限界面热流相变模型的推导与验证

doi:10.7527/S1000-6893.2026.32977

流动控制与热管理专刊

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有限界面热流相变模型的推导与验证

唐子诚, 韩泽冉, 郑丹, 马挺()

西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049

收稿日期:2025-10-28 修回日期:2025-11-12 接受日期:2025-12-15 出版日期:2025-12-25 发布日期:2025-12-25
通讯作者: 马挺 E-mail:mating715@mail.xjtu.edu.cn
基金资助:
国家资助博士后研究人员计划(GZB20250156)

Development and validation of finite-interface-heat-flux phase change model

Zicheng TANG, Zeran HAN, Dan ZHENG, Ting MA()

School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China

Received:2025-10-28 Revised:2025-11-12 Accepted:2025-12-15 Online:2025-12-25 Published:2025-12-25
Contact: Ting MA E-mail:mating715@mail.xjtu.edu.cn
Supported by:
Postdoctoral Fellowship Program of CPSF(GZB20250156)

摘要/Abstract

摘要：

两相水冷换热器因其换热高效、结构紧凑，在航空热管理系统具有重要影响前景。在先进界面解析技术的支持下，耦合合理的相变模型对于准确模拟两相水冷换热器的流动沸腾特性至关重要。然而，经验系数的不确定性和相变理论的复杂性给相变模型的发展带来了巨大挑战。提出了有限界面热流相变模型，通过考虑相界面网格内的界面位置，将界面热流转化为有限相界面内网格的相变源项。首先，通过一维Stefan和二维池沸腾基准问题验证了模型，并得出相界面瞬时位置与时均努塞尔数的偏差分别为3.33%与1.2%。然后，通过三维管内沸腾基准问题验证模型，得出瞬时气泡直径偏差为4.48%。最后，通过流动沸腾实验进一步验证模型，得出最小壁面过热度偏差为14.4%且两相流态模拟结果符合流态识别准则数的预测范围。提出的模型优于现有的相变模型，有望为航空航天两相水冷换热器的设计优化提供可靠的数值研究手段。

关键词: 两相水冷换热器, 航空热管理, 有限界面热流, 相变模型, 流动沸腾

Abstract:

Two-phase water-cooled heat exchangers， owing to their high heat transfer efficiency and compact structure， exhibit promising application prospects in aviation thermal management systems. With the support of the advanced interface-resolved technique， the incorporation of a reasonable phase change model becomes crucial for accurately simulating the flow boiling characteristics in two-phase water-cooled heat exchangers. However， the uncertainty of empirical factors and the complexity of phase change theories pose great challenges to the development of phase change models. This paper proposes a finite-interface-heat-flux phase change model， which converts the interfacial heat flux into phase change source terms for the cells within the finite interface by considering the interface position in the interfacial cell. First， the proposed model is validated by one-dimensional Stefan and two-dimensional pool boiling benchmark problems， yielding deviations of 3.33% and 1.2% for the instantaneous interface position and the time averaged Nusselt number， respectively. Then， the model is validated by a three-dimensional microchannel boiling benchmark problem， resulting in a deviation of 4.48% in terms of the instantaneous bubble diameter. Finally， the model is validated by a flow boiling experiment and presents the lowest deviation of 14.4% in terms of the wall superheat， while the simulation result of the flow pattern is consistent with the predicted ranges of the flow regime criteria. The proposed model outperforms the existing phase change models， showing great potential in providing a reliable numerical tool for the design and optimization of two-phase water-cooled heat exchangers in aerospace.

Key words: two-phase water-cooled heat exchanger, aviation thermal management, finite-interface-heat-flux, phase change model, flow boiling

中图分类号:

V234

唐子诚, 韩泽冉, 郑丹, 马挺. 有限界面热流相变模型的推导与验证[J]. 航空学报, 2026, 47(13): 532977.

Zicheng TANG, Zeran HAN, Dan ZHENG, Ting MA. Development and validation of finite-interface-heat-flux phase change model[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(13): 532977.

图/表 20

表1

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

表2

相变模型

相变模型	类型	表达式
Hardt-Wondra模型^［15］	基于气体动力学理论的模型	$S v = 2 M π R g 1 / 2 ρ v h l v (T - T s a t) T s a t 3 / 2$
Pan模型^［35］	基于相界面饱和温度条件的模型	$S v = (α l ρ l C p l + α v ρ v C p v) (T - T s a t) Δ t$
Chen模型^［22］	基于相界面能量跳跃的模型	$S v = λ l (T - T s a t) (0.5 + 0.5 α l) h l v (Δ x) 2$
有限界面热流相变模型	基于相界面能量跳跃的模型	$S v = C v λ s u p ∇ α s u p ∇ T h l v$

表2

图 17

表3

参考文献 38

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

模型类型	计算稳定性主要影响因素	经验参数依赖因素	适用场合
基于气体动力学理论的模型^［11］	网格精细度，经验参数取值合理性	经验蒸发系数	核态沸腾，膜态沸腾，流动沸腾与蒸发降膜
基于相界面饱和温度条件的模型^［12］	经验参数取值合理性	经验时间松弛因子	流动沸腾与冷凝
基于相界面能量跳跃的模型^［13］	网格精细度，初始预设相界面合理性		核态沸腾，膜态沸腾，流动沸腾与冷凝

参数类型	适用范围
操作压力/MPa	0.101
工质类型	去离子水
壁面过热度/K	2.1~27.1
水力直径/μm	229~900
质量通量/（kg·m^-2·s^-1）	139.9~150.4

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