水平管外降膜蒸发传热与流动特征的三维数值研究

摘要

水平管外降膜流动及换热特性是决定换热系统性能的关键，而管外液膜降膜的铺展及传热过程极为复杂。水平管外液膜厚度的分布规律、水平管间的流型转换及换热管的排列方式都直接影响着整个换热系统性能的优劣。本文以海水淡化装置中的多效蒸发器为应用背景，借用数值模拟技术对水平管外降膜蒸发传热与流动特征进行数值模拟工作，为将来相关研究提供更为全面的数据支持。 通过对影响水平管降膜铺展及蒸发性能的各类因素进行归类总结，重点对水平管间柱状流型条件下管外降膜蒸发和铺展特性进行仿真，考察了柱状流型中液柱的撞击作用对降膜铺展的影响，讨论了不同因素对液膜厚度分布的影响；对比分析了两种不同柱状流型的铺展规律、液膜厚度速度的分布规律；最后在降膜流动模型的基础上，添加传热模型，研究分析液膜内部的温度分布，并分析了不同因素对换热系数的影响。 结果表明：柱状流型条件下，来流液柱对降膜铺展及液膜厚度分布有重要影响，来流液柱所携带的动能推动了液膜的铺展，这使得在靠近来流液柱的位置处的液膜厚度减小，流速增大，由于物性参数、雷诺数等因素的差异，水平管之间会形成顺排和叉排两种柱状流型。流型的差异还体现在管外液膜厚度分布上，顺排流型下，相邻液柱之间的液膜厚度成V型，而叉排流型下，相邻液柱之间的液膜厚度分布遵循中间厚两边薄的特征，经分析，两种流型形成的关键是相邻液柱之间是否形成了明显的“波峰”现象，波峰的出现，是顺排到叉排流型转变的关键。降膜铺展过程中的液膜内部的扰动作用对液膜内部的温度分布影响巨大，由于液膜内部的扰动作用，在相邻液柱之间及水平管的尾流区，温度分布较为均匀。最后对降膜蒸发过程的换热性能展开分析，通过与实验值得对比检验，所建立的换热模型能够较好的模拟水平管外的换热过程，降膜Re对降膜蒸发过程起抑制作用，而蒸发温度Tsat的升高能够提升系统的换热性能。

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