水平管外降膜蒸发流动与传热特性的数值模拟

摘要

水平管降膜蒸发是小温差、小流量条件下的高效换热技术，包括管内蒸汽冷凝和管外降膜蒸发过程，在石油化工、制冷和海水淡化等行业中得到广泛应用。水平管外降膜蒸发是一种复杂的传输过程，涉及到相变传热、液膜波动和汽液两相流流动间的相互作用，因此对其流动与传热特性的研究具有较高的科学价值和潜在的应用前景。
　　采用有限容积法中的VOF模型来模拟水平管外降膜蒸发中液膜内的微观传热传质现象，计算得到了液膜内速度、温度和体积分数的分布特性，分析了不同喷淋密度、管间距、管径、切应力、蒸发温度等参数对管外液膜厚度和传热的影响，揭示了水平管降膜蒸发中液膜内的传热传质机理。
　　冷态液膜流动的模拟结果为:液膜厚度在管壁周向角度上呈现先减小后增大的趋势，而液膜的速度呈现相反的趋势，大约在120°-135°范围内，液膜厚度出现最小值，相应的速度达到最大值;液膜厚度和液膜表面的波动程度均随着喷淋密度的增大而增大，随管径的增大而减小;管间距和布液高度对液膜厚度的影响主要体现在管壁上半部分，对下半部分影响不大，并且随着距离的增大液膜厚度逐渐减小;与无汽流作用相比，同向汽流具有减薄液膜厚度和增大液膜流速的作用，反向汽流则起相反的作用，而且同向汽流对膜厚最小值和速度最大值位置产生滞后作用，而反向汽流则对其产生提前作用;随着流体温度的升高，液膜流速加快，厚度减小，而液膜表面的波动程度逐渐增大。
　　管外液膜传热数值模拟的结果为:数值计算得到的传热系数要大于只考虑导热过程的值，表明了即使液膜在层流状态下，液膜内的也存在着不能被忽视的对流换热过程。降膜蒸发传热系数随喷淋密度的增大而减小，随管间距、蒸发温度的增大而增大。由于海水和纯水的表面张力随蒸发温度的变化而出现不同的变化，海水介质的传热系数随蒸发温度增加的速度要小于纯水介质。利用模拟结果拟合得到了水平管外降膜蒸发传热的计算关联式，其计算结果与前人的实验数据相差在10％以内。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 海水淡化技术

1．2 水平管降膜蒸发技术

1．3 水平管降膜蒸发技术的研究现状

1．3．1 水平管外液膜流动形态研究

1．3．2 水平管降膜蒸发的传热分析

1．3．3 水平管降膜蒸发的数值研究

1．4 本论文的主要研究工作

2 水平管降膜蒸发的数值计算方法

2．1 数值计算方法的介绍

2．2 多相流模型的选择

2．2．1 VOF方法及原理

2．2．2 VOF方法界面重构技术

2．3 基本控制方程的选择

2．3．1 质量守恒方程

2．3．2 动量守恒方程

2．3．3 能量守恒方程

2．4 数值模拟中相关问题的处理

2．4．1 网格划分与网格无关性分析

2．4．2 边界条件及参数设置

2．5 本章小结

3 管外液膜冷态流动的模拟结果与分析

3．1 管外液膜流动的厚度和速度分布

3．2 相关参数对冷态液膜厚度的影响

3．2．1 喷淋密度对管外冷态液膜厚度的影响

3．2．2 管径对冷态液膜厚度的影响

3．2．3 布液高度对液膜厚度的影响

3．2．4 管间距对液膜厚度的影响

3．3 汽流流速对液膜流动特性的影响

3．4 温度对液膜厚度的影响

3．5 本章小结

4 管外液膜传热数值模拟结果与分析

4．1 沿圆周方向局部传热系数的分布

4．2 相关参数对传热系数的影响

4．2．1 喷淋密度对传热系数的影响

4．2．2 管间距对传热系数的影响

4．2．3 蒸发温度对传热系数的影响

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢