含不凝性气体氮蒸气冷凝传热数值模拟与可视化实验研究

摘要

工业气体需求的持续增加推动着空分设备向着大型化和低能耗化的方向发展。关键部件主冷凝蒸发器的结构设计和传热性能直接影响着空分设备的能耗。由于缺乏对主冷凝蒸发器中冷凝换热机理的深入了解，主冷的换热效率还有很大的提升空间。主冷内He、Ne等不凝性气体的比例可高达到30％，严重影响了主冷的传热效率。由于低温流体和常温流体物性之间的显著差异，常温流体的实验结果已不适用于低温流体。要想获得精确的传热与流动关联式，就必须采用可视化方法掌握两相流的流型信息。目前含不凝性气体低温冷凝可视化研究基本处于空白阶段，难点主要在于低温下的温度、压力以及不凝性气体浓度等参数的准确测量和低温可视化测量对绝热和密封的较高要求。
　　本文基于FLUENT建立了竖直平板上含不凝性气体氮蒸气冷凝的二维稳态模型，采用流体体积函数法（VOF）和用户自定义函数（UDF）定义蒸发冷凝模块。与实验结果进行了对比验证，分析讨论了入口处不凝性气体质量分数、系统压力等参数对冷凝传热系数和液膜厚度的影响。
　　设计搭建了一套低温冷凝可视化实验系统，用于研究氮蒸气纯质及含不凝性气体氮蒸气在竖直壁面的冷凝机理。考察了不凝性气体质量分数等不同因素对冷凝传热系数的影响，并基于实验数据拟合获得了适用范围较广的含不凝性气体氮蒸气在竖直平板上冷凝的传热关联式。根据拍摄获得的原始实验图像进行了后处理，提取了实验图像的拓扑结构和界面波流速等图像信息，分析了系统压力和不凝性气体质量分数对液膜波动和界面波流速的影响。

目录

声明

主要符号表

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2含不凝性气体冷凝的研究综述

1.3 低温可视化实验研究综述

1.4 本文主要工作

第2章 纯质及含不凝性气体冷凝理论

2.1 膜状冷凝Nusselt理论及其修正

2.2含不凝性气体冷凝理论

2.3本章小结

第3章 竖壁上含不凝性气体氮冷凝数值模拟

3.1 模型简介

3.2 模型可靠性分析

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 竖壁上含不凝性气体氮蒸气冷凝实验研究

4.1低温冷凝可视化实验台

4.2 实验台误差分析

4.3 影响冷凝传热特性的因素及规律分析

4.4 含不凝性气体氮蒸气冷凝传热关联式

4.5 含不凝性气体氮蒸气冷凝可视化图像

4.6 本章小结

第5章 总结和展望

5.1 全文总结

5.2 主要创新点

5.3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢