水平椭圆管外液体降膜流动数值模拟

摘要

水平管降膜蒸发技术由于能在较小的换热温差及液体工质流量下获得较高的换热系数，因而对于改善换热器换热性能以及节省换热器制造及维护费用上有着重要的意义。但其却并未广泛的应用于各类换热系统中，其原因在于在水平管降膜蒸发器中，对于换热管束表面液体降膜流动形态及液膜厚度分布有较高的要求，液膜的流态和均匀性直接影响着换热器的性能，而液膜流态和分布受布液方式、管型参数、管束布置等诸多参数的影响。目前对于降膜蒸发换热规律以及各类影响参数的设计研究并未达到精确完善的水平，因此对于水平管降膜蒸发技术管外液体降膜流动形态及液膜厚度分布的研究具有十分重要的意义。
　　本文针对水平管外液体降膜流动建立了理论模型，应用数值模拟的方法对管外液体降膜流动形态及液膜厚度分布进行了数值研究。应用VOF方法对于气液交界自由表面进行追踪，得到管外液膜速度、压力场及液膜厚度分布并同实验值进行对比，验证计算模型的正确性。通过改变计算模型中液体雷诺数、管间距、管型参数及管壁周向角度等影响参数得到不同参数下椭圆管外液膜厚度分布规律以及相同参数下不同椭圆率椭圆管壁下端液膜脱离区的范围和形成规律，对椭圆管在降膜蒸发器中应用的可行性进行研究。
　　结果表明:通过对比水平圆管外液体降膜流动液膜厚度分布实验及数值模拟结果，尽管液膜厚度值存在一定差异，但数值模拟的液膜厚度分布变化趋势同实验结果较为吻合，能够考量不同区域液膜流动形态及厚度分布规律。在管壁周向角0°-180°范围内，液膜厚度先减小后增大，液膜厚度随流体雷诺数的增大而增大，随换热管间距的增大而减小;液膜厚度的波动性随管壁周向角的增大而增大，并且在145°左右区域内液膜波动性最强，容易在此区域形成液膜脱离区;流体在水平椭圆管外降膜流动时液膜厚度分布规律同圆管相似，并且相同参数下液膜厚度分布较圆管更为均匀，变化幅度更小，在椭圆管外液体降膜流动中，椭圆管管型参数的影响并非线性而是存在最优值;流体在水平椭圆管外降膜流动过程中较圆管能够更快地在管壁表面铺展成膜，进入充分发展区，在管壁下端，椭圆管的液滴集聚现象较圆管有所减弱，液膜分布更为均匀;水平管外液体降膜流动换热管润湿率随流体雷诺数的增大而增大，水平管外液体降膜流动管壁下端液膜会与管壁脱离而在管壁下方形成液膜脱离区，且液膜脱离区范围随换热管椭圆率的增大而减小.

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 本课题研究意义

1．2 水平管降膜蒸发机理及研究现状

1．2．1 水平管降膜蒸发原理

1．2．2 水平管降膜蒸发的技术特点与影响因素

1．2．3 国内外研究现状

1．3 本文研究内容简介

2 水平管外液体降膜流动数值模拟方法

2．1 理论模型的建立

2．2 水平管外液体降膜流动控制方程

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动重守恒方程

2．3 多相流计算模型

2．4 压力速度耦合算法

2．5 数值模拟中相关问题的处理

2．5．1 数值计算区域的离散

2．5．2 流体热物性参数的设置

2．5．3 边界条件的设置

2．5．4 流体计算区域初始化

2．5．5 数值计算网格及时间步长无关性验证

3 水平圆管外液体降膜流动数值模拟结果及分析

3．1 水平圆管外液体降膜流动过程数值模拟结果

3．1．1 降膜流动液膜形成及流动过程

3．1．2 降膜流动流场压力分布

3．1．3 降膜流动流场速度分布

3．2 水平圆管外液体降膜流动液膜厚度分布及与实验结果对比分析

3．3 管间距及流体雷诺数对于降膜流动过程的影响

4 水平椭圆管外液体降膜流动数值模拟结果及分析

4．1 水平椭圆管外液体降膜流动过程数值模拟结果

4．2 管型参数及管间距对于降膜流动过程的影响

4．3 管壁周向角度及流体雷诺数对于降膜流动过程的影响

4．4 管型参数对于管外降膜流动液膜与管壁脱离现象的影响

4．5 椭圆管与圆管外液体降膜流动特性对比分析

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢