空气—水蒸气混合气体凝结与对流换热特性的数值模拟

摘要

水蒸气中含不凝气体（空气、二氧化碳等）的现象广泛存在于核反应器非能动安全冷却系统、海水露点蒸发淡化工艺、天然气燃气冷凝技术及工业余热回收等过程中。本文借助Fluent商业软件中的组分运输模型和VOF模型对空气-水蒸气混合气体的凝结与对流换热过程进行了数值模拟研究。在UDF程序中，充分考虑了物性变化、凝结条件、气-液界面捕捉精确性等对模拟结果的影响。
　　在整理混合气体物性参数的相关论文、设计手册、图表的基础上结合本文操作条件，干空气、水蒸气和混合气体均采用理想气体状态方程，干空气和水蒸气的动力粘度、扩散系数、水的汽化潜热及饱和水蒸气分压力均采用多项式拟合。推导质量源项和能量源项，并编写了UDF。
　　忽略凝结液时，仅启用组分运输模型，代入适用的UDF，模拟了混合气体在冷凝柱表面的凝结与对流换热过程，平均换热系数的数值模拟结果与相关实验数据较为吻合，误差在15％以内。基本验证了数值模型的正确性与可靠性。忽略凝结液，进一步模拟了混合气体在圆管内的凝结与对流换热过程，得到了混合气体温度场、压力场、速度场、组分场的变化过程，得到了局部及整体的凝结与对流换热特性。模拟结果表明:在冷凝壁面产生质量汇的效果，诱导流体产生垂直于冷凝壁面的较小法向速度;层流传质主要依赖于静态扩散，湍流传质依赖于静态扩散和对流扩散;平均对流换热系数和平均传质系数均随混合气体入口流速、水蒸气入口质量分数的增大而增大;局部对流换热系数占对应局部总换热系数的比值沿流动方向逐渐升高，比值始终低于0.5，所以冷凝换热量不可忽视。
　　考虑凝结液时，同时启用组分运输模型和VOF模型，模拟了混合气体在光滑圆管外的凝结与对流换热过程。混合气体中的水蒸气在冷凝壁面冷凝生成液膜，液膜在壁面粘附和表面张力的作用下聚拢形成液滴，长大后的液滴在重力和气-液界面剪切力的作用下沿壁面向下流动并且融合，液滴在融合过程中存在液膜波动。随着组分边界层的形成和液膜厚度的增大，管壁对流换热系数及凝结换热系数呈波动性下降，降低幅度在5％之内。
　　本文编写的UDF适用于二维直角坐标系、三维直角坐标系及二维柱坐标系。评定了不同模型的优缺点，表明用Fluent模拟混合气体的凝结与对流换热过程，仅启用混合气体组分运输模型可用于复杂的物理模型，同时启用混合气体组分运输模型和气-液两相流VOF模型更适于简单的小尺寸的物理模型。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 混合气体凝结与对流换热简介

1．2．1 纯净蒸汽的凝结与对流换热过程

1．2．2 混合气体的凝结与对流换热过程及影响因素

1．3 混合气体凝结与对流换热研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．3．3 数值模拟研究现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 混合气体凝结与对流换热模型

2．1 物性参数的选择

2．1．1 干空气的物性

2．1．2 水蒸气和液态水的物性

2．1．3 混合气体的物性及状态

2．1．4 物性参数UDF的编写

2．2 混合气体组分运输模型的建立

2．2．1 数学模型的简化及选择

2．2．2 二元混合气体控制方程

2．2．3 组分运输模型

2．2．4 组分运输模型中源项UDF的编写

2．3 VOF数学模型的建立

2．3．1 气-液两相流数学模拟的困难及方法

2．3．2 数学模型的简化及选择

2．3．3 VOF方法控制方程

2．3．4 相界面的处理

2．3．5 表面张力和壁面粘附

2．3．6 VOF模型中源项UDF的编写

2．4 本章小结

第3章 混合气体换热特性数值模拟可靠性验证

3．1 数值计算模型

3．1．1 物理模型

3．1．2 网格的独立性分析

3．1．3 边界条件

3．2 数值模拟结果分析

3．2．1 数值模拟与实验结果比较

3．2．2 流动及组分分析

3．2．3 对流换热分析

3．3 本章小结

第4章 圆管内凝结与对流换热特性数值模拟

4．1 数值计算模型

4．1．1 物理模型及网格划分

4．1．2 数学计算模型

4．1．3 边界条件

4．2 数值模拟结果分析

4．2．1 入口速度对凝结与对流换热的影响

4．2．2 入口质量分数对凝结换热的影响

4．3 本章小结

第5章 圆管外凝结与对流换热特性数值模拟

5．1 数值计算模型

5．1．1 物理模型及网格划分

5．1．2 边界条件

5．2 数值模拟结果分析

5．2．1 凝结与对流过程分析

5．2．2 流场分析

5．2．3 换热分析

5．3 模型评价

5．4 本章小结

第6章 全文总结及展望

6．1 主要工作及结论

6．2 创新点

6．3 不足

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文