基于二维CFD模型和一维大体积流模型的蒸发冷却传热传质机理研究

摘要

相比机械蒸汽压缩制冷系统，应用了蒸发冷却技术的制冷系统具有节能、经济、环保等优点，是提高社会生产效率和人体热舒适性的重要技术手段之一。然而，在回顾了蒸发冷却技术的起源和发展历程之后，发现在近些年的发展过程中该技术出现了不少亟待解决的问题。这些问题包括：（1）忽略了蒸发冷却传热传质过程中“自然形成”的真实边界条件，简单套用在恒定壁面温度或恒定热流密度下的努谢尔特数获取传热系数，导致其计算结果的不准确；（2）现有文献中基于传统算术或对数平均温差法以及数值积分法计算平均传热传质系数的方式在蒸发冷却中的不合适，平均温差法的结果具有潜在的不准确性，因为它仅仅强调入口和出口值之间的温度差而忽略了整个传热传质过程，而积分法可能会存在一定的计算困难，因为在某些工况下的湿通道中会出现局部传热系数无穷大的情况；（3）对影响蒸发冷却器传热传质规律的诸多参数缺乏充分全面地分析；（4）对数据的归纳总结研究不够充分，停留在定性的分析较多而对定量的经验关系式研究较少。鉴于上述蒸发冷却技术存在的关键问题，本文的研究内容主要包括三大部分：直接蒸发冷却器传热传质机理研究、传统间接蒸发冷却器传热传质机理研究和露点间接蒸发冷却器传热传质机理研究。文中主要开展的工作内容包括：　　首先，基于能量、质量和动量守恒规律，建立了描述直接蒸发冷却器、传统间接蒸发冷却器和露点间接蒸发冷却器内部传热和传质过程的二维CFD模型。通过不同网格尺寸的划分对网格独立性进行分析，选择了一种精度和求解时间折中的网格布置，其中直接蒸发冷却器和传统间接蒸发冷却器的模型准确性通过与前人的实验结果进行对比验证，而露点间接蒸发冷却器的模型准确性通过搭建实验台验证，对露点间接蒸发冷却器“TypeA”结构与“TypeB”结构两种流动方式的冷却性能进行了比较。综合来说，“TypeB”与“TypeA”相比被证明具有更好的冷却效率和更低的出口空气温度；　　其次，针对三类蒸发冷却换热器，利用相似理论分析对二维CFD模型方程进行了无量纲化，推导了影响各自平均努谢尔特数和平均舍伍德数的无量纲参数组。利用二维CFD模型模拟了不同工况和结构尺寸条件下的传热和传质过程，获得了各因素的影响规律；分析了温度和水蒸气质量分数的等值线图，可以发现由于气液交界面独特的温度边界条件，使得其内部温度的变化规律相对复杂；对通道内局部努谢尔特数和局部舍伍德数的变化也进行了比较研究，分析了传统数值积分法用于蒸发冷却传热传质过程中存在的缺陷；　　再次，针对三类蒸发冷却换热器分别建立了一维大体积流模型。一维大体积流模型简单实用，其控制方程是一组一维的微分方程组。论文创新性的提出将经过实验验证的二维CFD模型用于模拟计算不同工况下的出口参数，然后再将出口参数用于一维大体积流模型反算平均传热传质系数，从而建立一种计算平均传热传质系数的新方法；　　最后，基于提出的新方法，针对无量纲数组对三类蒸发冷却器的平均努谢尔特数和平均舍伍德数的影响进行了研究，并分析了平均努谢尔特数和平均舍伍德数的变化规律。在此基础上，通过最小二乘法，对数据进行拟合，提出了三类蒸发冷却器的平均努谢尔特数和平均舍伍德数计算准则关系式。　　本文研究贡献在于：（1）考虑了冷却器湿表面上“自然形成”的真实边界条件，也就是考虑了蒸发冷却传热传质的整个完整过程，从而为准确计算平均传热传质系数提供了理论基础；（2）利用相似分析理论对三类蒸发冷却器进行了全面的研究，综合考虑了所有影响因素；（3）将二维CFD模型与一维大体积流模型相结合计算三类蒸发冷却器的平均努谢尔特数和平均舍伍德数，克服了传统方法在蒸发冷却传热传质计算中存在的精度缺陷，从而为准确计算平均传热传质系数提供了工具；（4）全面总结了三类蒸发冷却器的平均努谢尔特数和平均舍伍德数经验准则关系式，这一系列关系式的适用条件广、误差小以及构成简单，对于实际工程的应用，提供了准确的数据支撑。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 蒸发冷却技术的分类与研究现状

1.2.1 空气与水接触时的状态变化过程

1.2.2 直接蒸发冷却器

1.2.3 传统间接蒸发冷却器

1.2.4 露点间接蒸发冷却器

1.3 蒸发冷却研究进展总结与分析

1.4 本文的工作

1.4.1 本研究课题的来源

1.4.2 本文的研究意义

1.4.3 本文的主要研究内容

1.5 本章小结

第2章 直接蒸发冷却器的传热传质机理研究

2.1 引言

2.2 直接蒸发冷却器物理模型的建立

2.3 数学模型的建立

2.3.1 二维CFD模型

2.3.2 一维大体积流模型

2.4 相似理论分析

2.4.1 控制方程及边界条件的无量纲化

2.4.2 主要无量纲数组的推导

2.5 数值方法和求解步骤

2.5.1 二维CFD模型的求解

2.5.2 平均传热传质系数的计算方法

2.6 结果分析与讨论

2.6.1 数学模型准确性的验证

2.6.2 数值计算预设条件

2.6.3 温度和水蒸气质量分数的分布

2.6.4 局部努谢尔特数和局部舍伍德数的分布

2.6.5 平均努谢尔特数和平均舍伍德数

2.6.6 本章提出的方法与传统数值积分方法的比较

2.7 本章小结

第3章 传统间接蒸发冷却器的传热传质机理研究

3.1 引言

3.2 物理模型的建立

3.3 数学模型的建立

3.3.1 二维CFD模型

3.3.2 一维大体积流模型

3.4 相似理论分析

3.4.1 控制方程及边界条件的无量纲化

3.4.2 主要无量纲数组的推导

3.5 数值方法和求解步骤

3.5.1 二维CFD模型求解

3.5.2 平均传热传质系数的计算方法

3.6 结果分析和讨论

3.6.1 数学模型准确性的验证

3.6.2 温度和水蒸气质量分数的分布

3.6.3 一次二次空气的局部努谢尔特数和局部舍伍德数的变化规律

3.6.4 平均努谢尔特数和平均舍伍德数

3.6.5 本章提出的方法与传统数值积分方法的比较

3.7 本章小结

第4章 露点间接蒸发冷却器的实验研究及其两种结构的性能比较

4.1 引言

4.2 实验台的建立

4.2.1 露点间接蒸发冷却器样机的结构设计

4.2.2 测量设备介绍

4.2.3 实验步骤

4.2.4 系统冷却性能评价指标

4.2.5 实验不确定性分析

4.3露点间接蒸发冷却中的Type A和Type B结构的性能比较

4.3.1Type A和Type B的结构

4.3.2 数学模型的无量纲化

4.3.3 模型的准确性分析

4.3.4Type A和Type B的冷却性能比较

4.3.5 无量纲一次空气出口温度关系式

4.4 本章小结

第5章 露点间接蒸发冷却器的传热传质机理研究

5.1 引言

5.2 露点间接蒸发冷却器内部温湿度场的分布

5.3 露点间接蒸发冷却器一维模型的建立

5.4 结果讨论与分析

5.4.1 平均传热传质系数的计算方法及其可行性验证

5.4.2 平均努谢尔特数和平均舍伍德数的变化规律

5.4.3 平均努谢尔特数和平均舍伍德数经验关系式的拟合

5.5 本章小结

总结和展望

全文总结

本文创新点

后续工作展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢