析湿工况下换热器翅片表面冷凝液滴行为的数值模拟与实验验证

摘要

翅片管式换热器是目前制冷空调、化工等多种行业中常用的换热器形式。翅片管式换热器的传热热阻主要集中在翅片侧。因此提高翅片管式换热器性能的重点在于优化换热器翅片侧结构。房间空调器中所使用的翅片管式蒸发换热器的翅片侧基本都运行在湿工况下。当翅片管式换热器处于湿工况下，翅片表面温度低于湿空气的露点温度后，湿空气中的水蒸气开始在翅片表面凝结析湿，此时翅片表面将出现冷凝液滴。随着析湿过程的不断进行，液滴会逐渐生长直到在重力和气流曳力的共同作用下开始发生运动最终流出翅片表面。冷凝液滴在翅片表面的形成、生长和运动特性，对翅片管式换热器空气侧压降与传热的影响重要且复杂，需要反映在换热器空气侧结构的优化设计中。这就要求能够实现对析湿工况下换热器翅片表面冷凝液滴行为的模拟计算。因此，本文的研究内容包括翅片表面液滴形成、生长和运动特性的数值模拟、翅片结构和表面改性对液滴行为的影响的数值模拟以及模型的可视化实验验证等方面。取得了如下的成果：
　　1）建立了描述翅片表面液滴运动特性的数值模型，得到了液滴接触角和气流曳力等因素对液滴运动特性的影响规律。模型中考虑了液滴在翅片表面所受重力、气流曳力和壁面粘附力的影响，提出液滴在重力和气流曳力的共同影响下会发生沿重力方向和气流方向的形变，进而对液滴三相接触线上各点的接触角产生影响；通过液滴重力和气流曳力的大小得出液滴形变的程度并以偏移角来表征，开发液滴在重力和气流曳力的共同影响下三相接触线上接触角计算模型；建立液滴运行过程气液两相连续性方程和动力守恒方程，通过接触角模型将表面张力处理为体积力源项添加到动量方程中，实现了对液滴运动过程的模拟；并基于模型分析了不同液滴后退接触角和气流速度对液滴运动特性的影响。
　　2）建立了描述翅片表面液滴形成和生长特性的数值模型，得到了换热器运行工况对液滴形成和生长过程热质传递特性的影响规律。模型中考虑了翅片表面形状对液滴成核自由能的影响，提出了通过成核数目和液滴成核临界半径求取成核过程传质速率的方法；建立了液滴与湿空气相界面附近湿空气中水蒸气的组分守恒方程，得出水蒸气相间扩散传质的驱动力-浓度梯度与液滴生长过程传质速率的关系；建立液滴形成和生长过程的气液两相控制方程，将反映液滴形成和生长特性的水蒸气传质速率作为质量源项加入连续性方程中，实现了对液滴形成和生长过程的模拟；并基于模型分析了不同进口空气湿度和速度对液滴形成和生长过程的热质传递特性的影响。
　　3）建立了描述翅片结构和表面改性对液滴行为影响的数值模型，得到了翅片结构和亲水涂层对液滴行为以及湿空气热质传递的影响规律。模型考虑了翅片表面波纹、条缝等结构对液滴形状和接触角的影响，基于Young-Laplace方程推导得出波纹和条缝结构上液滴和液桥三相接触线上接触角的计算模型；通过该模型将表面张力处理为体积力源项添加到动量方程中，实现了翅片结构对液滴运动特性影响的描述。通过翅片表面附近湿空气中水蒸气的组分守恒，得出浓度梯度与液膜形成过程传质速率的关系，将液膜形成过程的传质速率作为质量源项加入连续性方程中，实现了亲水涂层对液膜形成特性影响的描述。
　　4）实验验证了描述翅片表面液滴运动、形成和生长特性的数值模型。针对液滴运动模型的实验验证结果表明，不同质量液滴的最小接触角的模拟值与实验值平均误差为1.2％，最大误差为1.8%；固定质量的液滴在竖直翅片表面运动速度的模拟值与实验值平均误差为8.1%，最大误差为10%。针对液滴形成和生长模型的实验验证结果表明，当液滴在竖直翅片表面形成和生长时，模型计算得出的液滴的分布与实验拍摄的照片中的液滴分布基本一致；对于传质因子jm，模型的预测值与实验结果之间的平均误差为17.3%，模拟结果与89%的实验数据的误差在±25%以内；对于传热因子jh，模型的预测值与实验结果之间的平均误差为11.8%，模拟结果与94%的实验数据的误差在±20%以内。本文提出的模型能够较好的预测液滴在翅片表面的形成、生长和运动特性。

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第一章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 相关领域研究现状

1.3 本文的研究内容与技术路线

第二章 翅片表面液滴运动特性的数值模拟

2.1 液滴运动机制分析

2.2 液滴运动特性建模思路

2.3 翅片表面液滴运动特性的数值模型

2.4 液滴运动模型的算法

2.5 液滴运动特性的模拟结果与分析

2.6 本章小结

第三章 翅片表面液滴形成和生长特性的数值模拟

3.1 液滴形成和生长机制分析

3.2 液滴形成和生长特性建模思路

3.3 液滴形成和生长特性的数值模型

3.4 液滴形成和生长模型的算法

3.5 液滴形成和生长特性的模拟结果及分析

3.6 本章小结

第四章 翅片结构对液滴行为影响的数值模拟

4.1 翅片结构对液滴行为影响的分析

4.2 翅片结构对液滴行为影响的数值模型

4.3 模型算法

4.4 翅片结构对液滴行为影响的模拟结果与分析

4.5 本章小结

第五章 翅片表面改性对液滴行为影响的数值模拟

5.1 翅片表面改性对液滴行为影响的分析

5.2 翅片表面改性对液滴行为影响的数值模型

5.3 模型算法

5.4 模拟结果与分析

5.5 本章小结

第六章 翅片表面液滴行为数值模型的实验验证

6.1 翅片表面液滴行为数值模型的验证思路

6.2 翅片表面液滴运动特性的数值模型的实验验证

6.3 翅片表面液滴形成和生长特性的数值模型的实验验证

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表录用的论文