微通道气液两相流动与传热数值研究

摘要

近些年来，随着自然科学以及工业应用朝着微型化的趋势发展，微化工设备和微流体技术逐渐成为化工技术、热能技术等工业领域的一个研究热点。微反应器、微换热器、微接触器等设备在石油、能源、化工等领域均表现出安全、高效、可控等优势。作为微化工设备的主要组成元件，对微通道内的流体流动及传热规律的研究具有重要而深远的意义。
　　建立了矩形截面微通道三维模型，利用计算流体力学（CFD）技术考察了不同结构尺寸的12个微通道内压降、流动摩擦阻力系数、对流换热努赛尔数以及综合评价因子等特性，并对正方形截面微通道进行了结构改进，提出了不同折弯角度的微通道模型。
　　结果发现:
　　（1）由于尺度效应的影响，微通道内流动压降与对流换热系数均大于常规尺度下的理论预测值。
　　（2）微通道截面高宽比为1时流动均匀性最佳，压降及摩擦阻力系数最小。
　　（3）长度相同的微通道，长径比越小，单位面积换热量因尺寸的增大而有所减小，但由于受入口效应的影响，对流换热系数越大。
　　（4）适当增大高宽比，减小长径比，是增强矩形截面微通道内对流换热强度的有效措施。
　　（5）在本文研究范围内，折弯角度为150°的微通道具有较好的流动及换热性能。
　　构建了矩形截面T型微通道三维模型，采用Fluent软件中的VOF多相流模型，数值模拟了T型微通道内互不相容气液两相流动情况，观察到了微通道内周期性出现的Taylor气泡，考察了气液相进口流速、液相粘度、表面张力、壁面润湿性等对气液两相流的影响。
　　结果表明：
　　（1）微通道内中心轴线上的压强在气液界面处发生突变，且气相压强始终大于液相压强。
　　（2）气泡成形过程中，在壁面及气相的共同作用下，液相速度方向发生改变，形成内循环。
　　（3）气泡头部及尾部均存在局部的内循环和漩涡，两相间的速度差形成气相带动液相运动的“曳力”。
　　（4）Taylor气泡、液柱长度均与该相流体进口流速的大小呈正相关；气泡长度随液相粘度的增加而稍有减小，随表面张力的增大而明显增大。
　　（5）气泡在微通道内的运动是气相和液相运动速度的正向叠加，液相粘度的增大增强了气泡与壁面间液膜对气泡的“携带”作用。
　　（6）壁面润湿性不影响Taylor气泡的长度，但影响气泡生成时间及气液相界面形状。
　　建立了矩形微通道的三维瞬态模型，运用 VOF模型中的蒸发-冷凝相变模块，数值模拟了气液两相流动沸腾的流动及换热情况。
　　结果表明：
　　（1）在所研究的范围内，沸腾换热机制为对流蒸发，流动沸腾换热系数随底部恒定热流密度的变化较小，而受流体进口流速影响较大。
　　（2）底部热流密度和流体密度的增加造成了流动压降的增加。
　　（3）质量流量的增加提高了压力和沸腾换热系数的稳定性，减小了其波动幅度。

目录

声明

1 绪论

1.1 微化工设备及微流体流动简介

1.2 微通道内单相流体流动研究现状

1.3 微通道内两相流体流动研究现状

1.4 微通道内两相流沸腾换热研究现状

1.5 本文研究内容

2 微流体流动的理论基础与研究方法

2.1 微尺度效应

2.2 微尺度流体流动研究方法

2.3 微通道内气液两相流动模型

2.4 数据处理

2.5 本章小结

3 微通道内单相流体流动数值研究

3.1 模型建立

3.2 条件假设及控制方程

3.3 求解设置

3.4 网格独立性验证

3.5 求解方法适用性验证

3.6 微通道内单相流体流动分析

3.7 微通道内单相流体换热分析

3.8 微通道结构优化

3.9 本章小结

4 微通道内气液两相Taylor流动数值研究

4.1 模型建立

4.2 控制方程及求解设置

4.3 网格划分及独立性验证

4.4 结果分析

4.5 本章小结

5 微通道内气液两相沸腾换热数值研究

5.1 模型建立和网格划分

5.2 求解设置

5.3 结果分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

个人简历

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢