层流膜状冷凝液膜波动的数值模拟

摘要

膜状冷凝作为高效相变传热方式，在工业领域具有广泛应用，如制冷循环中的冷凝器、核动力装置中的非能动安全壳冷却系统、热电厂的凝汽设备等。由于凝结液膜流动固有的不稳定性而表现出丰富的动力学特性，深入研究液膜波动特性与膜状冷凝传热传质机理间的内在联系，对强化传热具有重要的理论意义和实用价值。
　　采用数值模拟研究纯蒸气在等温竖直平壁上层流膜状冷凝液膜的波动发展以及由波动引起的强化传热机制。采用非正交的坐标转换，将液膜波动区域转换成直角区域，在转换后的坐标系内建立冷凝液膜的质量、动量、能量守恒方程，采用有限体积法对控制方程组进行离散。基于速度场与压力场相互耦合，采用用改进的SIMPLER算法和交错网格进行流场计算，使用三对角阵方法求解离散的代数方程组。采用结构化的Fortran语言编写程序，模拟计算流场变量的分布特征。通过在液膜表面添加单一频率的正弦扰动来研究液膜表面波动的发展情况。结果表明:只有扰动被放大时才能引起液膜的波动，而扰动被放大或是被抑制与添加扰动的位置和频率有关，当扰动被放大后，液膜波动振幅不再受扰动位置的影响。液膜表面由光滑状态向小振幅的正弦波发展，最终演化成大振幅的非正弦波。波动层流膜状冷凝的局部传热系数比Nusselt解得到的要高出大约40％至50％，原因主要是时均液膜厚度减小和液膜内平均速度增加引起的流体对流增强。

目录

声明

摘要

引言

1 层流波动液膜的研究进展

1．1 层流冷凝液膜的研究

1．2 波动流理论发展

1．2．1 冷凝液膜的稳定性

1．2．2 波动液膜的流体动力特性以及热流量

1．3 液膜层流波动冷凝的实验发展

1．4 层流波动液膜的数值模拟发展

1．5 论文研究内容

2 模型构建

2．1 控制方程

2．2 边界条件

2．3 坐标转换

2．4 方程的转换

2．5 边界条件的转换

2．7 求解算法

2．8 模型构建总结

3 模型求解

3．1 方程的离散

3．1．1 能量方程的离散

3．1．2 η方向动量方程的离散

3．1．3 ξ方向动量方程的离散

3．1．4 连续方程的离散

3．1．5 压力方程的离散

3．2 程序主体及架构

3．3 格坐标的设定

3．3．1 主网格的设定

3．3．2 u速度控制体的网格设定

3．3．3 Vη速度控制体的网格设定

3．4 方程系数的设定

3．5 方程的求解

3．6 蒸气冷凝质量流量与出口流速度的设置

3．6．1 界面蒸气质量流量的计算

3．6．2 在出口流边界上顺流速度的调整

3．7 液膜厚度的计算及调整

3．7．1 液膜厚度调整方法

3．7．2 液膜厚度的限制

3．8 边界条件的设定

3．8．1 气液界面处压力边界条件的实现

3．8．2 表面张力

3．9 强迫扰动的应用

3．10 模型求解总结

4 数值模拟结果分析

4．1 液膜的波动特性分析

4．1．1 液膜厚度的变化

4．1．2 液膜内速度分布

4．1．3 液膜内压力分布

4．1．4 液膜内温度分布

4．2 液膜的传热量分析

4．2．1 时均液膜厚度

4．2．2 时均质量流量

4．2．3 时均局部传热系数

4．3 数值模拟分析总结

结论

参考文献

附录

致谢