板式換熱器降膜蒸發(fā)傳熱過程的數(shù)值模擬研究-

1、分類號學(xué)號M201070761 學(xué)校代碼10487 密級 碩士學(xué)位論文板式換熱器降膜蒸發(fā)傳熱過程的數(shù)值模擬研究學(xué)位申請人:陳昊陽學(xué)科專業(yè):熱能工程指導(dǎo)教師:陳漢平教授王賢華博士答辯日期:2013年1月8日A Thesis Submitted in Partial of Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringNumerical Simulation Research on Falling Film Evaporation Heat Transfer Process in Evaporative

2、Plate Heat ExchangerCandidate: Haoyang CHENMajor: Thermal EngineeringSupervisor: Prof. Hanping CHENDr. Xianhua WANGHuazhong University of Science & TechnologyJanuary.10th, 2013獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知,除文中已標(biāo)明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。

3、本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名:年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,即:學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密,在_年解密后適用本授權(quán)書。本論文屬于不保密。(請在以上方框內(nèi)打“”學(xué)位論文作者簽名:指導(dǎo)教師簽名:年月日年月華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要板式蒸發(fā)換熱器利用降膜蒸發(fā)原理強化傳熱,相比傳統(tǒng)換熱器具有傳熱效率高、流通面積大、結(jié)構(gòu)緊湊、占地

4、面積小等優(yōu)點,在石油、化工、能源等能耗、水耗較大的行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。由于缺乏對其降膜蒸發(fā)換熱機制的深入了解,目前工業(yè)上應(yīng)用的板式蒸發(fā)換熱器的性能還有很大的提升和優(yōu)化空間。本文采用計算機數(shù)值模擬方法分別對平板降膜蒸發(fā)換熱過程和波紋板降膜蒸發(fā)換熱過程進(jìn)行模擬,研究影響板式蒸發(fā)換熱器換熱性能的各項因素,為換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化運行提供指導(dǎo),并設(shè)計板式蒸發(fā)換熱器換熱性能實驗平臺,為全面提升板式蒸發(fā)換熱器的理論和技術(shù)水平奠定基礎(chǔ)。板式蒸發(fā)換熱器內(nèi)部的降膜蒸發(fā)過程涉及氣液兩相流流動以及傳熱傳質(zhì)和表面張力等相間相互作用,因此對這一復(fù)雜物理過程進(jìn)行模擬需要深入了解相間相互作用機理。本文采用用戶自定義程

5、序和用戶自定義標(biāo)量對相間傳熱源項、傳質(zhì)源項和表面張力動量源項進(jìn)行描述,結(jié)合流場其他控制方程,建立計算機數(shù)值模型,并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗證了所建立的數(shù)值模型的可靠性。采用所建立的計算機數(shù)值模擬模型對不同工況下平板降膜蒸發(fā)換熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬,研究不同工況對蒸發(fā)換熱性能的影響,結(jié)果表明,對于板間距尺度為10mm 的板束:(1過高的進(jìn)口水流量將會導(dǎo)致液膜厚度增加,影響蒸發(fā)換熱性能,過低的流量則會導(dǎo)致壁面上出現(xiàn)干區(qū);(2進(jìn)口水溫度的工作區(qū)間為280310K,過高的進(jìn)口水溫不利于液膜對壁面熱量的吸收,過低的進(jìn)口水溫則會導(dǎo)致液膜蒸發(fā)效應(yīng)的減弱;(3提高強制流動空氣的流速可以大幅提高蒸發(fā)換熱性能,過高的風(fēng)

6、速會導(dǎo)致液膜脫離壁面。對不同工況下波紋板降膜蒸發(fā)換熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明:(1波紋板利用自身結(jié)構(gòu)特性,有利于液膜在壁面上的分布,在波峰之間由于表面張力的作用液膜會明顯減薄,波谷處液體湍動程度增加;(2波紋板壁面上溫度呈周期性變化,波峰之間的溫度分布明顯降低,蒸發(fā)效應(yīng)得到了增強;(3與平板降膜蒸發(fā)進(jìn)行橫向比較發(fā)現(xiàn),華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文波紋板的換熱性能平均可以提高1015%左右。關(guān)鍵詞:蒸發(fā)式換熱器多相流數(shù)值模擬降膜傳熱傳質(zhì)波紋板華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文ABSTRACTEvaporative plate heat exchanger makes use of the falling fi

7、lm evaporation to enhance the heat transfer efficiency. Compared to traditional heat exchangers, It is more efficient, water-saving, energy-saving and smaller floor area. It has good development prospect in industries. Because of the lack of the in-depth researches on falling film evaporation heat t

8、ransfer mechanism, there are still lots of potential for the improvement.This topic adopts the computational numerical simulation method to simulate the heat transfer in falling film evaporation on smooth plate and the heat transfer in falling film evaporation on corrugated plate to study the influe

9、nces on heat transfer performance of various factors under different operating conditions. Ths task in the research aims at providing guidance on design of evaporative plate heat exchanger experimental platform, laying the foundations for further researches.The falling film evaporation heat transfer

10、 process in evaporative plate heat exchanger involves air-water multiphase flow and interactions between air and water like heat transfer, mass transfer and surface tension effect. The research selects the user-define functions to define the interactions between two phases, combined with control equ

11、ations to build the numerical simulation models. The comparison between experimental results validates the validity of the models so that it can be put into use for further researches.The results of numerical simulation experiments on falling film evaporation on smooth plate under different operatin

12、g conditions indicates that: 1 The inlet water flow operating condition is 0.150.20kg/s, the excessive inlet water flow will lead to water film thickness increase, thus the heat transfer efficiency decreases; 2 The inlet water temperature operating condition is 280310K. The convection heat transfer

13、between water film and the plate will decrease because of the excessive inlet water temperature; 3 The increase of inlet air speed can improve the heat transfer efficiency greatly.The results of numerical simulation experiments on falling film evaporation on華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文corrugated plate indicates tha

14、t: 1 The falling film thickness will become thinner in trough of wave due to the surface tension effect caused by the geometric construction of corrugated plate; 2 The wall temperature on corrugated plate is periodically distributed. The wall temperature between wave crests is obviously lower; 3 Com

15、pared to the smooth plate, the heat transfer efficiency of corrugated plate is much higher.Key words: Evaporative heat exchanger Multiphase flow Numerical simulation Falling film Heat and mass transfer Corrugated plate華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄摘要. I ABSTRACT. III 1緒論1.1 研究背景 (11.2 蒸發(fā)換熱器介紹 (21.3 蒸發(fā)式換熱器研究現(xiàn)狀 (51.4

16、 主要研究內(nèi)容 (92降膜蒸發(fā)傳熱過程模型的建立2.1 前言 (112.2 降膜蒸發(fā)換熱的物理模型 (112.3 數(shù)學(xué)模型 (142.4 本章小結(jié) (183平板降膜蒸發(fā)數(shù)值模擬3.1前言 (193.2 幾何建模與網(wǎng)格劃分 (193.3 數(shù)學(xué)模型 (203.4模型可靠性驗證 (253.5計算結(jié)果與分析 (26華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文3.6 本章小結(jié) (364波紋板降膜蒸發(fā)數(shù)值模擬與實驗設(shè)計4.1 前言 (374.2 波紋板物理模型建模 (374.3網(wǎng)格劃分 (394.4 波紋板二維降膜蒸發(fā)數(shù)學(xué)模型 (404.5 波紋板降膜蒸發(fā)模擬結(jié)果分析 (464.6 實驗平臺設(shè)計 (554.7 本章小結(jié) (5

17、75結(jié)論和展望5.1 結(jié)論 (585.2 研究工作特色 (595.3 展望 (60致謝 (61參考文獻(xiàn) (62華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論1.1 研究背景能源是人類社會進(jìn)步與發(fā)展的基石。在過去的兩百多年間,人類主要利用四種能源:石油、天然氣、煤和電力。隨著經(jīng)濟(jì)、社會、科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展,世界范圍內(nèi)的能源消耗速度也隨之飛速增長,造成了能源的過度開采和短缺等問題。當(dāng)今世界能源的消耗狀況與特點如下:1由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口爆炸的影響,世界一次能源消耗不斷增長;2發(fā)達(dá)國家的能源消耗增長率顯著低于發(fā)展中國家,說明高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)消耗更少的能源,產(chǎn)出更多;3世界能源消費結(jié)構(gòu)總體趨向于高品質(zhì),但是地區(qū)之間

18、的差異依然巨大;4當(dāng)今世界能源儲備十分豐富,但依然不足以滿足人類社會的高速發(fā)展1,2。按現(xiàn)今能源消耗速度進(jìn)行估算,地球上儲備的所有能源將在二百年內(nèi)耗盡。中國政府面臨與其他發(fā)展中國家類似的能源問題,如較低的能源利用效率、不平衡的能源分布和過度能源需求增長。尋求緩解世界能源問題的相應(yīng)解決辦法十分緊迫。開發(fā)新能源和發(fā)展高效節(jié)能技術(shù)是維系可持續(xù)發(fā)展的兩大主要方法,如今節(jié)能減排的概念已經(jīng)逐漸的在全世界范圍內(nèi)廣泛普及。近年來各種類型的節(jié)能產(chǎn)品與技術(shù)得到了高速的發(fā)展和普及,如鍋爐的廢熱回收技術(shù)、建筑節(jié)能技術(shù)及高效換熱技術(shù)3。這類以節(jié)省能源、提高效率為目標(biāo)開發(fā)的各類技術(shù)提高了能源利用率,在節(jié)約能源的同時也大力

19、發(fā)展了工業(yè)與經(jīng)濟(jì),實現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展計劃。與發(fā)達(dá)國家相比,中國的能源強度(單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源使用量依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。與1990年相比,2004年每萬元GDP所消耗的能源提高了45%,節(jié)省了約7億噸煤4。這說明中國依然存在著巨大的節(jié)能潛力。提高能源利用率非常具有實際意義,主要有著以下兩方面影響:1提高能源利用率以減慢能源消耗的速度;2十分有利于環(huán)保5。因此節(jié)能減排是中國政府的基本政策。節(jié)能減排已經(jīng)成為人類社會生活中非常重要的組成部分。處理好人類、環(huán)境和能源之間的關(guān)系攸關(guān)人類發(fā)展前景。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)熱量交換和傳遞過程的不可缺少的設(shè)備,廣泛應(yīng)用于制冷、化工、石油、紡織、制

20、藥和能源等工業(yè)中。據(jù)統(tǒng)計,熱交換器的噸位約占整個工藝設(shè)備的20%30%6,因此發(fā)展高效節(jié)能的換熱設(shè)備有著非常重要的意義。工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的換熱設(shè)備主要有板式換熱器和管殼式換熱器,占據(jù)換熱器市場份額的絕大部分。這兩種換熱器在工業(yè)上的應(yīng)用時間長、技術(shù)積累深厚。但是都有著各自的局限性:通常板式換熱器尺寸較小,對工況要求非常嚴(yán)格、制造成本高;管殼式換熱器占地面積大、換熱效率不高、水耗較大等。同時,隨著世界范圍內(nèi)能源消耗增長過快、能源儲備緊缺,具有更高性能并具備節(jié)水節(jié)能特性的設(shè)備成為工業(yè)上的主要發(fā)展趨勢。因此,發(fā)展具備更高換熱效率,同時能夠節(jié)省能耗水耗的換熱設(shè)備十分必要。相比傳統(tǒng)的換熱設(shè)備,蒸發(fā)式

21、換熱器具有傳熱效率高、節(jié)約能源、節(jié)約水資源等優(yōu)點,在當(dāng)今世界提倡節(jié)能減排,有效利用資源的趨勢下,蒸發(fā)式換熱器在石油、化工、能源、制冷等能耗、水耗較大的行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景7,并已應(yīng)用到工業(yè)的各個領(lǐng)域,具有良好的工作性能。1.2 蒸發(fā)換熱器介紹液體在重力的作用下以薄液膜的形式沿壁面向下流動稱為液體薄膜流動,也叫降膜流動。將降膜和流動空氣相接觸,會發(fā)生薄液膜和空氣之間的熱濕交換。如果液膜的尺寸充分小,那么液膜上的溫度梯度將會有著非常明顯的分布,在相同的操作工況下,相比傳統(tǒng)換熱器將大大提升換熱能力8。降膜蒸發(fā)換熱過程中氣液兩相流之間的傳熱傳質(zhì)效率非常高;水流量較小,可被循環(huán)重復(fù)利用,消耗量也更小

22、;氣相與液相之間的接觸面積大,傳熱傳質(zhì)能夠在較短時間內(nèi)充分發(fā)生。利用降膜蒸發(fā)時水的汽化潛熱傳遞進(jìn)行強化傳熱的換熱設(shè)備被稱為蒸發(fā)式換熱器。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1.1蒸發(fā)式換熱器結(jié)構(gòu)圖9蒸發(fā)式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.1所示,其由空氣通道、冷卻水循環(huán)通道和熱流體通道組成:1熱流體從熱流體入口進(jìn)入換熱元件(管束或者板束的內(nèi)通道,完成熱交換過程之后由出口排出;2冷卻水儲存在水箱內(nèi)部,由水泵泵入安裝在換熱元件上方的布水系統(tǒng),布水系統(tǒng)將水均勻的布置在換熱元件的表面,在換熱元件的表面形成一層薄薄的液膜,液膜與掠過的空氣發(fā)生熱濕交換,通過蒸發(fā)換熱完成換熱的強化作用,沿壁面流回安裝在換熱元件下方的水箱內(nèi)

23、;3空氣從換熱器下部的入口由安裝在蒸發(fā)式換熱器頂部的風(fēng)扇引入,在換熱管束或板面間強制流動,與液膜發(fā)生熱濕交換,并將液膜蒸發(fā)的水蒸氣和汽化潛熱排出換熱器外部10-14。蒸發(fā)換熱器主要按換熱元件的不同分為管式蒸發(fā)換熱器和板式蒸發(fā)換熱器。這兩種換熱器的換熱原理是一樣的,都是利用液膜和強制流動空氣之間的蒸發(fā)換熱強化傳熱。管式蒸發(fā)換熱器采用不同的管型(如橢圓管、波紋管、交變曲面異型管、滴型管等15,或改變管束的布置方式強化傳熱。板式蒸發(fā)換熱器在管式蒸發(fā)換熱器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,板式換熱元件相比管式換華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文熱元件布水面積更大,增大了液膜與空氣之間的接觸面積,因而使蒸發(fā)換熱的效率更高。因其換

24、熱效率更高、易于安裝和制造等特點,板式蒸發(fā)換熱器是蒸發(fā)式換熱器換熱元件的主要發(fā)展趨勢。 圖1.2 波紋板降膜流動16板式換熱器按換熱板束幾何類型的不同可分為平板式換熱器和波紋板式換熱器。在蒸發(fā)式換熱器發(fā)展初期,由于制造工藝等原因,板式蒸發(fā)換熱器通常采用平板板束作為換熱元件。隨著對板式蒸發(fā)換熱器的研究的發(fā)展,越來越多的科研人員開始在垂直流道上設(shè)置有規(guī)律的凹槽,實驗結(jié)果表明這些規(guī)律的波紋可以強化蒸發(fā)換熱效應(yīng),提升蒸發(fā)式換熱器的性能。蒸發(fā)換熱器在板式換熱器和空冷式換熱器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,與傳統(tǒng)換熱器相比較有如下特點:節(jié)約能源:首先,蒸發(fā)式換熱器結(jié)合了傳統(tǒng)板式換熱器和空冷式換熱器,減少了水泵的輸入功率

25、。其次,蒸發(fā)式換熱器內(nèi)的水溫接近于濕球溫度,相比傳統(tǒng)換熱器低很多17。節(jié)約水資源:傳統(tǒng)換熱器的冷卻水溫升大概在6到8左右,每千克水能帶走25到34kJ的熱量18。由于對水氣化潛熱的利用,在蒸發(fā)式換熱器內(nèi)部,每千克水能華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文帶走2400kJ的熱量19。因此,在實際運行過程中,蒸發(fā)式換熱器所需要使用的水量約為傳統(tǒng)換熱器所使用水量的5%到15%20,21。易于安裝和維護(hù),運行成本低:運行過程中的傳熱傳質(zhì)兩個過程發(fā)生在蒸發(fā)式換熱器內(nèi)一次完成,因此不需要安裝冷卻塔。在設(shè)備的生產(chǎn)過程中也是一體化生產(chǎn)22。為設(shè)備在工程上制造、安裝提供了許多便利,利于設(shè)備的普及。當(dāng)設(shè)備需要維修的時候,也是按

26、照整體換熱元件進(jìn)行更換,方便易行。由于蒸發(fā)式換熱器對水資源的利用相比傳統(tǒng)換熱器更少,也就不會存在因為大量用水帶來的各種問題,使運行成本降低。環(huán)保:由于該系統(tǒng)換熱的介質(zhì)為空氣和水,大大的減少了污染物的排放和降低了對環(huán)境的沖擊23。緊湊的結(jié)構(gòu)和更小的占地面積:由于蒸發(fā)式換熱器將換熱過程與冷卻過程結(jié)合在同一個設(shè)備里,空氣和液膜之間的傳熱傳質(zhì)同時發(fā)生,在提高了換熱性能的同時,也使相間換熱過程和熱量排出的過程的空間占用率更小。與傳統(tǒng)的各型換熱器相比,其占地面積約為傳統(tǒng)換熱器的30%到60%24。有利于節(jié)約廠房面積,降低工廠整體成本。1.3 蒸發(fā)式換熱器研究現(xiàn)狀早在19世紀(jì)末就已經(jīng)有工程人員提出利用降膜蒸

27、發(fā)原理進(jìn)行換熱器開發(fā)這一概念25,受限于缺乏相關(guān)的理論和實驗研究,蒸發(fā)換熱器在當(dāng)時并沒有被深入開發(fā)和普及。隨著對蒸發(fā)換熱器各類相關(guān)研究的不斷積累,對蒸發(fā)換熱器的開發(fā)在20世紀(jì)得到了一定的發(fā)展。對蒸發(fā)式換熱器的研究主要集中在理論研究和實驗研究兩個方面。早期對蒸發(fā)換熱器的研究主要集中在理論研究層面。Benjamin26在Nusselt的層流降膜理論基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了界面波動的影響,開展了相關(guān)的理論研究,建立了液膜厚度的表達(dá)式和液膜的傳熱系數(shù)表達(dá)式。該項研究為降膜蒸發(fā)理論奠定了一定的基礎(chǔ),對平板上降膜的流動狀況有了初步的理論描述。Wayner27,28對壁面上降膜潤濕及蒸發(fā)的兩相流過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)理論

28、研究,提出了液膜與空氣界面內(nèi)部的平均換熱系數(shù)方程式,并認(rèn)為該系數(shù)在界面上的分布是不斷波動的,介于零到氣液界面換熱系數(shù)的值之間。該項工作不僅研究了壁面降膜的流動狀華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文況,而且對傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行了初步的研究,采用了平均換熱系數(shù)描述該換熱過程,提出了基本的總換熱系數(shù)公式。Thome,Dupont和Jacobi29-32對小尺度通道內(nèi)的蒸發(fā)換熱建立了“三區(qū)域”流動換熱理論,該理論給出了液膜、空氣以及相界面之間的局部換熱系數(shù),并根據(jù)該理論計算得出強周期性變化對換熱系數(shù)的影響。他們的工作進(jìn)一步對液膜和空氣之間的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了考慮,將研究深入到了三種區(qū)域內(nèi)的換熱過程,初步提出了一套理想化

29、的換熱系數(shù)公式。Murthy和Sarma33建立了垂直管內(nèi)降膜蒸發(fā)的理論模型,假定湍流普朗特數(shù)等于1考慮了氣液相界面間剪應(yīng)力,及氣液相之間的阻尼作用。他們的理論模型給出了傳熱分系數(shù)的顯式形式表達(dá)式。他們的工作將重點放在了相間力的相互作用了,通過研究氣液兩相間相互作用力對氣液兩相流場的分布得出了傳熱系數(shù),但是有一定的片面性。Baumann34對潤濕薄膜的湍流流動和氣液兩相換熱進(jìn)行了研究,建立了耦合邊界和界面條件的控制方程并進(jìn)行了求解,給出了對薄膜湍流流動的預(yù)測情況,考察了第二組分的變化情況對換熱性能的影響,得出了氣相溫度每提高2則會導(dǎo)致界面換熱性能下降10%35。該項工作的研究重點為液膜湍動對換

30、熱性能的影響,并對氣相的體積分?jǐn)?shù)的影響進(jìn)行了考察,但是該項工作忽略了氣相和液相間的相互作用,因此結(jié)果存在一定的誤差。Parker和Treyball36以水平管蒸發(fā)冷卻換熱為研究對象,研究了湍流下降液膜傳熱性能,采用了適用于氣液相之間存在剪切作用時的湍流普朗特數(shù),得到傳熱膜系數(shù)的方程。Halasz37從熱力學(xué)角度出發(fā)研究降膜蒸發(fā)換熱過程,對降膜和空氣之間的傳熱傳質(zhì)以及阻力進(jìn)行分析,建立了一套蒸發(fā)換熱器通用的宏觀數(shù)學(xué)模型。該模型可以大致得出蒸發(fā)式換熱器的熱力學(xué)參數(shù),但是結(jié)果較為初步,無法詳細(xì)預(yù)測氣液兩相傳熱傳質(zhì)過程。隨著20世紀(jì)中后期工業(yè)制造、工程技術(shù)的不斷進(jìn)步,科研和工程人員也對蒸發(fā)華中科技大學(xué)

31、碩士學(xué)位論文式換熱器開展了實驗工作。Blanco38建立了豎直光滑管內(nèi)降膜蒸發(fā)的實驗平臺開展對蒸發(fā)式換熱器的實驗研究,提出控制熱阻發(fā)生在氣液交換界面,提高蒸發(fā)式換熱器性能應(yīng)該從此處著手。該項工作采用實驗方法,為之后研究提升蒸發(fā)換熱器性能指出了方向。Holm和Goplen39等人對潤濕液膜的自由表面進(jìn)行了實驗研究,并指出液膜和氣相之間的換熱速率取決于自由表面所具有的能量,他們根據(jù)實驗結(jié)果建立了傳熱傳質(zhì)效率的經(jīng)驗公式。該項工作從宏觀的能量方向?qū)鳠醾髻|(zhì)效率進(jìn)行了考察。Coenwell40設(shè)計出一套能檢測換熱器內(nèi)部壓降和蒸發(fā)換熱系數(shù)的實驗裝置,對小尺寸豎直管內(nèi)的蒸發(fā)換熱過程進(jìn)行了研究,提出風(fēng)壓對蒸發(fā)

32、換熱的影響,并發(fā)現(xiàn)窄形橢圓管內(nèi)會發(fā)生間歇干燥的現(xiàn)象,從而影響蒸發(fā)式換熱器的平均換熱系數(shù)。他的工作采用實驗方法對氣側(cè)的影響進(jìn)行了一定的研究。Yan與Li41,42建立了水平圓管(直徑2mm的蒸發(fā)換熱和壓降的冷卻換熱平臺,并根據(jù)所得實驗數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了壁面熱流和質(zhì)量流量對換熱性能的影響,他們所獲得的實驗數(shù)據(jù)對于設(shè)計具有更高性能的蒸發(fā)冷卻裝置和空調(diào)系統(tǒng)有一定的指導(dǎo)意義。Erens和Dreyer43,44采用實驗方法驗證了基于蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)的理論模型。結(jié)果說明假設(shè)劉易斯數(shù)不變時的數(shù)學(xué)模型可以應(yīng)用于小尺寸換熱單元,與大尺寸換熱單元的誤差則會比較大,因此該類型模型可以用于設(shè)計的初步階段,對獲得初步參數(shù)有著一定

33、的意義。Yang45通過實驗對比水平管上液膜蒸發(fā)換熱和管內(nèi)部熱流體冷凝的換熱系數(shù),前者約為后者的50%,比認(rèn)為整體換熱系數(shù)的主要影響因素為降膜蒸發(fā)的狀況。通過比對不同流體的實驗結(jié)果,指出蒸發(fā)換熱器會有一定的極限尺寸,換熱器的性能受到風(fēng)壓的限制,且不冷凝氣體對尺寸的影響非常大,為之后蒸發(fā)式換熱器的研制提供了一定的基礎(chǔ)。Kim46對蒸發(fā)式換熱器的布水技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究,將噴淋水系統(tǒng)的各項參數(shù)和相對應(yīng)的換熱系數(shù)制成圖表,反映冷卻水布水和換熱性能之間的分布關(guān)系,作為設(shè)計換熱器噴淋水系統(tǒng)的參考。沈家龍47對直徑為16mm的豎直銅管蒸發(fā)換熱器進(jìn)行了實驗研究,分析了影響傳華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文熱傳質(zhì)的各

34、項因素,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出實驗關(guān)聯(lián)式。該項工作得到的實驗關(guān)聯(lián)式為之后蒸發(fā)換熱器的臺架設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義,但是并不具有通用性。朱冬生等人48進(jìn)行蒸發(fā)換熱器的性能強化實驗,利用填料層強化蒸發(fā)式換熱器的傳熱傳質(zhì)效應(yīng),結(jié)果顯示填料層對吸收降膜內(nèi)余熱,降低循環(huán)水溫度有著一定的影響,得出填料層對蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)的強化效應(yīng)約為20%30%。通過對前人的理論研究總結(jié)發(fā)現(xiàn),對蒸發(fā)式換熱器內(nèi)部降膜蒸發(fā)換熱過程的理論研究主要集中在液膜流動狀態(tài)和液膜流動的機理,對降膜側(cè)傳熱系數(shù)進(jìn)行理論求解。這些理論研究的建立條件過于單一和理想化,沒有對影響降膜蒸發(fā)換熱的因素進(jìn)行全面綜合的考慮,忽略了一些在實際過程中影響較大的因素,當(dāng)需要

35、對某個具體的工況進(jìn)行研究的時候就顯得力不從心。同時,受限于降膜蒸發(fā)換熱流場的復(fù)雜程度,以上理論研究的結(jié)果都各有側(cè)重,具有一定的片面性,只得出了流場分布上某一特定方面的結(jié)果,當(dāng)需要得到更為全面的降膜蒸發(fā)換熱過程的結(jié)果時,這些理論就無用武之地了。總之,理論研究為進(jìn)一步開展對蒸發(fā)式換熱器的研究打下了基礎(chǔ),而隨著對蒸發(fā)換熱器研究的不斷深化,以及對實際應(yīng)用中蒸發(fā)換熱器性能提升的迫切需要。理論研究要應(yīng)用到更為復(fù)雜的實際工作中時,還有更多的工作要對理論研究進(jìn)行檢驗、轉(zhuǎn)化、復(fù)雜化以及深化。通過對前人的實驗工作進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)實驗手段一般在相似理論的基礎(chǔ)上建立實驗平臺,對換熱器內(nèi)降膜蒸發(fā)傳熱過程進(jìn)行研究。通過

36、測量儀器獲取實驗數(shù)據(jù),進(jìn)而對實驗結(jié)果進(jìn)行處理,最后總結(jié)出描述換熱器傳熱性能和各影響因素之間關(guān)系的經(jīng)驗公式,指導(dǎo)換熱器的工程設(shè)計。實驗方法在特定的工況和尺度下具有可靠性和準(zhǔn)確性,然而隨著蒸發(fā)式換熱器的應(yīng)用向多樣化和復(fù)雜化的趨勢發(fā)展,傳統(tǒng)的實驗手段已經(jīng)難以滿足蒸發(fā)式換熱器研究和開發(fā)的需求。蒸發(fā)式換熱器內(nèi)的降膜蒸發(fā)傳熱過程非常復(fù)雜,實驗的方法多局限于對出入口端壓力、溫度及速度的測量,通過回歸分析得到蒸發(fā)式換熱器的傳熱規(guī)律49,但是實驗結(jié)果難以反映蒸發(fā)式換熱器內(nèi)部流場和溫度場等的分布,如果想要得到流場內(nèi)部流動和溫度的具體分布信息,則需要設(shè)置更多的儀器,不僅提高了實驗成本,同時因為降華中科技大學(xué)碩士學(xué)位

37、論文膜蒸發(fā)換熱流場內(nèi)橫向的尺度很小,儀器對液膜等流體的干擾也較大,測量的精度和準(zhǔn)確性也難以保證。目前,蒸發(fā)式換熱器的設(shè)計一方面依靠理論研究推導(dǎo)出的各類傳熱系數(shù)表達(dá)式,但是由于理論研究無法綜合全面的考慮影響流場的各類因素,根據(jù)單純的傳熱系數(shù)表達(dá)式預(yù)測的結(jié)果和實際相差很大,不能很好的起到指導(dǎo)作用;另一方面蒸發(fā)換熱器的設(shè)計也依據(jù)實驗研究總結(jié)出的經(jīng)驗公式,這類經(jīng)驗公式在特定的尺寸和工況下具有較好的準(zhǔn)確性,能夠起到一定的指導(dǎo)作用,但是由于蒸發(fā)換熱器的應(yīng)用工況復(fù)雜多變,這類經(jīng)驗公式和結(jié)果無法普遍應(yīng)用到整個蒸發(fā)換熱器的設(shè)計中去,具有很大的局限性。近年來,計算機硬件不斷發(fā)展,運算能力不斷提高,采用計算機實現(xiàn)解

38、算流場內(nèi)微分控制方程獲得解析解成為可能,計算流體力學(xué)和計算傳熱學(xué)因此得到大幅發(fā)展。結(jié)合了計算機科學(xué)、流體力學(xué)和數(shù)值計算的科學(xué)叫做計算流體力學(xué)(CFD,計算流體力學(xué)和數(shù)值模擬逐漸成為一種非常有效的研究手段,廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究中。采用計算機數(shù)值模擬對降膜蒸發(fā)換熱進(jìn)行研究,可以彌補理論研究的不足,對復(fù)雜的降膜蒸發(fā)換熱流場進(jìn)行模擬,能較為全面的考慮影響流場流動、換熱的各方面因素。同時將理論研究成果應(yīng)用到計算機數(shù)值模擬中,起到了將理論研究進(jìn)行深化的作用,可以對實驗設(shè)計和工程應(yīng)用進(jìn)行指導(dǎo);解決了實驗研究的局限性,拓寬實驗研究的操作范圍,而且沒有實驗中存在的測量誤差,并能得到整個降膜蒸發(fā)換熱流場內(nèi)的各項參數(shù)

39、分布。對模擬結(jié)果進(jìn)行分析,可得出更為全面的結(jié)論。因此本文的目的是開展對蒸發(fā)式換熱器內(nèi)部的降膜蒸發(fā)換熱進(jìn)行數(shù)值模擬,通過模擬結(jié)果分析影響蒸發(fā)換熱性能的各項因素,并利用模擬的結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計實驗臺架。1.4 主要研究內(nèi)容本課題主要研究對象為對板式蒸發(fā)換熱器內(nèi)部的氣液兩相流流場。通過對氣液兩相流流場進(jìn)行數(shù)值模擬,驗證數(shù)值模型的可靠性,建立具有相當(dāng)可靠性的數(shù)值模擬方法;對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,總結(jié)出各工況是如何影響傳熱傳質(zhì)和流場分布的,給出板式蒸發(fā)換熱器的操作區(qū)間;并依據(jù)模擬數(shù)據(jù)指導(dǎo)設(shè)計試驗臺架,為接下來的工作做準(zhǔn)備。研究計劃如圖1.3。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1.3 研究計劃第一章給出了蒸發(fā)式換熱器的詳

40、細(xì)介紹,包括研發(fā)背景、研發(fā)現(xiàn)狀和研究意義。第二章從工程應(yīng)用中的蒸發(fā)換熱器中建立物理模型,并在該物理模型的基礎(chǔ)上詳細(xì)分析蒸發(fā)式換熱器內(nèi)部的換熱過程,并建立氣液兩相流的數(shù)學(xué)模型。為進(jìn)一步研究多相流換熱的CFD模擬打下基礎(chǔ)。第三章采用VOF模型,并在其基礎(chǔ)上用UDF代碼對傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行定義,在不同的工況下對氣液兩相流的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,在驗證了模型的可靠性的前提下改變各邊界條件,對流場以及換熱性能的影響進(jìn)行了分析。第四章在第三章的基礎(chǔ)上繼續(xù)深化模擬,在傳熱傳質(zhì)UDF的基礎(chǔ)上加入了表面張力動量源項,考慮了液膜與壁面之間的相互作用,采用波紋板作為傳熱壁面,考察模型在各個工況下的換熱狀況,比較分析了波

41、紋板與平板之間的換熱性能。并設(shè)計了一套實驗裝置。第五章對本研究進(jìn)行總結(jié),提出下一步工作的展望。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2 降膜蒸發(fā)傳熱過程的數(shù)學(xué)物理建模2.1 前言利用計算機對一系列控制方程組進(jìn)行求解獲得解析解的過程稱為數(shù)值模擬,數(shù)值模擬是建立在對物理問題進(jìn)行正確分析和合理的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的。沒有合理完善的數(shù)學(xué)模型,數(shù)值模擬就無從談起。本章根據(jù)板式蒸發(fā)換熱器內(nèi)實際的流動換熱,分析其具體的傳熱過程和蒸發(fā)過程,建立一套降膜蒸發(fā)換熱過程的物理模型,并在物理模型的基礎(chǔ)上建立定義流場內(nèi)各項參數(shù)的數(shù)學(xué)控制方程:包括定義流動的連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程等,定義兩相分布的體積分?jǐn)?shù)方程和定義兩相間

42、傳熱傳質(zhì)過程的邊界方程。這些數(shù)學(xué)方程構(gòu)成了定義流場內(nèi)流動、傳熱、多相分布的數(shù)學(xué)模型,為之后進(jìn)行降膜蒸發(fā)的數(shù)值模擬提供了理論指導(dǎo),打下了基礎(chǔ)。2.2 降膜蒸發(fā)換熱的物理模型對蒸發(fā)式換熱器內(nèi)部流場進(jìn)行分析,圖2.1為蒸發(fā)式換熱器內(nèi)部流場示意圖:熱流體在板的內(nèi)壁面通道里流動,外壁面上均勻覆蓋著一層薄液膜,液膜沿外壁面向下流動,空氣以一定的速度掠過液膜表面,與液膜發(fā)生蒸發(fā)換熱。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2.1 流場流動傳熱示意圖對板式蒸發(fā)換熱器內(nèi)部的換熱過程進(jìn)行分析,共分為以下五個步驟:1熱量從熱流體傳導(dǎo)至板壁的內(nèi)表面,這一階段稱為熱流體的冷卻;2熱量由內(nèi)壁面導(dǎo)熱至外壁面,這一階段被稱為壁面導(dǎo)熱;3

43、熱量由外壁面通過對流換熱傳導(dǎo)至液膜,由于壁面上降膜湍動流場非常復(fù)雜,液膜內(nèi)部的導(dǎo)熱機制尚不明確;4熱量通過液膜的蒸發(fā),以汽化潛熱的形式由液膜轉(zhuǎn)移至空氣中,還有一小部分熱量通過液膜和空氣之間的對流換熱以顯熱的形式傳導(dǎo)至空氣中,這部分熱量相比汽化潛熱數(shù)量級非常小,可以忽略不計。由于液膜的蒸發(fā)不完全,余熱由液膜攜帶流出板外;5熱量被強制流動的空氣帶出蒸發(fā)換熱器,熱量的排出會促進(jìn)液膜和空氣之間的蒸發(fā)傳熱效應(yīng)。從分析可以看出,豎直板上的降膜在整個換熱過程中起到了非常關(guān)鍵的作用:一方面液膜吸收了由熱流體傳導(dǎo)至壁面的大量熱量,另一方面液膜通過蒸發(fā)轉(zhuǎn)熱傳質(zhì),將大量的熱量通過汽化潛熱的形式傳導(dǎo)至高速流動的空氣中

44、,起到了強化傳熱的作用。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2.2 氣液界面邊界蒸發(fā)示意圖對液膜和空氣界面處發(fā)生的蒸發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行分析,圖2.2為液膜表面和空氣之間蒸發(fā)的物理模型,由圖可見在液膜和空氣接觸的表面有水分子脫離該表面進(jìn)入空氣,空氣中也有水蒸氣分子進(jìn)入液膜表面?？諝庵械乃魵夥謮簽檎舭l(fā)的主要驅(qū)動力,當(dāng)空氣為未飽和空氣時,水分子不斷由液膜進(jìn)入空氣,發(fā)生相變,吸收能量,將熱量以汽化潛熱的形式轉(zhuǎn)移到空氣中。本小節(jié)對板式蒸發(fā)換熱器內(nèi)部的換熱過程和液膜與空氣之間的蒸發(fā)換熱過程進(jìn)行分析,基于以上分析,建立物理模型。蒸發(fā)式換熱內(nèi)部的流場為具有自由表面的氣液兩相流,氣液之間的相互作用為相間的傳熱傳質(zhì):垂直平板被

45、一層溫度保持為T L,in,流率保持為m L,in的薄液膜潤濕。液膜暴露在同向強制流動的空氣流中,空氣流的速度保持為U G,溫度保持為T G,空氣中水蒸氣的濃度為W v,液膜的厚度為L(x,液膜向空氣中蒸發(fā)的水蒸氣的蒸發(fā)通量為m v,i,汽化潛熱為q e,i,顯熱為q s,i。本文主要研究對象為板外降膜流動以及降膜與空氣間相互作用,不考慮板內(nèi)熱流體流動的狀況和壁厚的影響,將熱流體傳導(dǎo)的熱量簡化為壁面上恒定的熱流量 q w。物理模型如圖2.3所示。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2.3 物理建模2.3 數(shù)學(xué)模型液膜沿加熱的板面向下流動,一部分液膜表層的水蒸發(fā)擴散至流動的空氣中。熱量由具有恒定熱流量

46、q w的壁面?zhèn)鬟f給液膜,與此同時質(zhì)量傳遞和熱量傳遞同時發(fā)生在氣液兩相的界面上,將部分熱量傳遞給空氣。液膜和空氣的流動狀態(tài)是影響界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)的主要因素。而氣液界面剪切力和蒸發(fā)影響液膜的流動,蒸發(fā)的水蒸氣組分、氣液界面剪切力和氣液界面的表面張力影響空氣的流動。在該物理模型的基礎(chǔ)上建立流場的控制方程組。由于模型中只考慮較低的流速,則動量方程中慣性項的值相比體積力項的值很小,可以被忽略50。對于薄液膜來說,速度和溫度的縱向梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于橫向梯度。在這樣的簡化條件下,液膜的動量和能量方程可以由如下方程描述:X方向上的動量方程51:0=y (LðLðy+L g(2-1華中科技大學(xué)碩士學(xué)位

47、論文能量方程52:L C PL u LðT Lðx =y(LðT Lðy(2-2利用邊界層假設(shè),以下方程用來描述氣流的對流換熱以及流動:連續(xù)性方程53:x (G u G+ððy(GG=0(2-3X方向上的動量方程54:G(u Gu Gx +Gu Gy=ððy(U Gu Gy+(Gg(2-4能量方程55,56:G C PG(u GT Gx +GT Gy=ððy(GT Gx+G D(C pvC paT GyW vy(2-5水蒸氣的組分輸運方程57:G(u GW vx +GW vy=ð

48、40;y(G DW vy(2-6以上方程為流場的主要控制方程,定義了降膜蒸發(fā)氣液兩相流各相的流動狀況,是計算流體力學(xué)中最基本的方程組。因為液膜蒸發(fā),由液態(tài)水相變?yōu)樗魵膺M(jìn)入空氣,因為空氣被考慮為是氧氣、氮氣和水蒸氣的混合物,因此需要在氣側(cè)添加水蒸氣組分輸運方程。圖2.4為多相流種類的示意圖,由圖可以看出降膜流動屬于氣液兩相流中的自由表面流:兩相間的界面明顯,兩相無不摻混。多相流的類型不一樣,對其相分布的控制方程也不一樣。對于本文所研究的自由表面流,采用VOF方法最為合適。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2.4 多相流種類58VOF方法又稱體積分?jǐn)?shù)法,通過計算第j相的體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)分布確定氣液界面的

49、位置。某個單元內(nèi)j=0說明單元內(nèi)不存在j相;j=1說明單元內(nèi)充滿了j相;若0<j<1,則說明該單元內(nèi)有相間的界面,為混合相59-61。ðj+uj=0(2-7ðt該體積分?jǐn)?shù)的控制方程將于流場流動的控制方程一起聯(lián)立求解,可以獲得降膜蒸發(fā)流場內(nèi)部的兩相分布。由于氣液兩相之間存在著質(zhì)量和熱量的傳遞過程,而且蒸發(fā)進(jìn)入空氣的水蒸氣對空氣的流動影響非常大,帶走的汽化潛熱對溫度場的影響也非常明顯,所以不能忽略。因此本小節(jié)將對由液相向氣相轉(zhuǎn)移的水蒸氣質(zhì)量m v,i(傳質(zhì)過程和因水蒸發(fā)帶走的汽化潛熱q e,i(傳熱過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo),通過該表達(dá)式定義氣液兩相之間的傳熱傳質(zhì),并

50、總結(jié)出氣液相界面處總的傳熱熱流密度的表達(dá)式。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1假定氣液界面為半滲透,即界面處y方向上空氣的溶解度為0,則界面處水蒸氣的橫向速度v G.i為:v G.i=(D1W v,i (ðW vðyG,i(2-8式中,D為水蒸氣在空氣中的擴散系數(shù),W v,i為空氣中水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù),ðW vðy為水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的梯度在y方向上的分量。假設(shè)氣液界面為熱力平衡狀態(tài),空氣與水蒸氣的混合物為理想氣體,則空氣中水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以由下式計算62:W v,i=M v P v,iM a(PP v,i+M v P v,i(2-92根據(jù)界面處水蒸氣的橫向速度可以

51、求得水蒸氣的蒸發(fā)通量,亦即相間質(zhì)量傳遞的大小:由2-9式得出蒸發(fā)過程中水蒸氣的蒸發(fā)通量m v,i:m v,i=G,i v G.i=(G,i D1W v,i (ðW vðyG,i(2-103根據(jù)求得的水蒸氣蒸發(fā)通量,可的水帶走的汽化潛熱大小。由2-11式得出蒸發(fā)過程中水帶走的汽化潛熱q e,i為:q e,i=LG m v,i=(G,i D L,G1W v,i (ðW vðyG,i(2-11式中,P v,i為水蒸氣在氣液界面處的的飽和分壓力。4根據(jù)2.2中建立的物理模型,氣液相之間還存在通過氣液相間的對流換熱進(jìn)行顯熱傳遞,顯熱傳遞q s,i的表達(dá)式根據(jù)對流換

52、熱理論為:q s,i=(GðT Gðy G,i(2-12式中,G為液膜和空氣之間的對流換熱系數(shù),ðT Gðy為空氣溫度的梯度在y方向上的分量。5根據(jù)求得的汽化潛熱和顯熱大小可得界面處總的傳熱熱流密度q i為:q i=q s,i+q e,i=(GðT Gðy G,i(G,i D L,G1W v,i(ðW vðyG,i.(2-13式2-13說明,在強制流動空氣和液膜之間的能量交換主要由兩個因素所決定:氣華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文側(cè)的界面處溫度梯度影響顯熱傳遞,界面處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度主要影響潛熱傳遞。在本課題的物理模型中,汽

53、化潛熱的大小遠(yuǎn)大于顯熱傳遞的大小,顯熱傳遞可以忽略不計。上述方程中,液膜與空氣在界面處混合相的熱力學(xué)參數(shù)為各組分體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。根據(jù)單元中某相的體積分?jǐn)?shù),利用混合原理63可得出混合相的參數(shù),如界面處混合相的密度為=LL+GG(2-14 此外,氣液界面的波動和氣流與滴狀水之間的相互作用會對傳熱傳質(zhì)起到非常大的影響,尤其是當(dāng)液膜與氣流之間的相對運動非常大的時候。但是這個過程更為復(fù)雜,所以并不在本課題的討論之列。2.4 本章小結(jié)本章通過對蒸發(fā)換熱器內(nèi)部的工作過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?分析其整體的換熱過程、降膜蒸發(fā)流動過程和液膜與空氣界面處的蒸發(fā)機制,建立物理模型,并在物理模型的基礎(chǔ)上建立流場控制方程、相體

54、積分?jǐn)?shù)方程和界面控制方程,建立了定義整個流場內(nèi)部流動狀況和傳熱狀況的數(shù)學(xué)模型。其中,求解多相流流場中相的體積分?jǐn)?shù)分布時必須與非穩(wěn)態(tài)的流動方程組聯(lián)立,因此選取二維非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程作為流場的控制方程。同時,通過界面控制方程描述了相間汽化潛熱傳遞的大小和蒸發(fā)通量,解決了如何定義相間相互作用的問題。數(shù)值模擬是以這些微分方程組為基礎(chǔ)的,通過對控制方程組進(jìn)行有限差分求解數(shù)值解,可以獲得流場中各個參數(shù)的分布如溫度場、速度場和壓力場等。為了確保數(shù)值模擬的正確性,本章所做的工作為接下來建立計算機數(shù)值模擬模型打下了基礎(chǔ)。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文3 平板降膜蒸發(fā)數(shù)值模擬3.1前言通過將物理模型和

55、數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為計算機建模,進(jìn)行數(shù)值模擬,并將模擬結(jié)果和其他科研人員的實驗結(jié)果進(jìn)行比對,對該計算機建模的可靠性進(jìn)行驗證,如果計算機建模的數(shù)據(jù)偏差過大,則需要對計算機模型進(jìn)行不斷的調(diào)整,直到計算機模型的結(jié)果能和實驗結(jié)果吻合較好。在計算機模型可靠性得到驗證的前提下,才能采用該計算機模型對不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬,并對結(jié)果進(jìn)行分析。本章在上一章建立的數(shù)學(xué)和物理模型的基礎(chǔ)上開展對平板降膜蒸發(fā)過程的數(shù)值模擬。在各類流場基本控制方程的基礎(chǔ)上采用用戶自定義函數(shù)對數(shù)學(xué)方程進(jìn)行轉(zhuǎn)化,定義相間傳熱傳質(zhì)過程,采取合適的網(wǎng)格劃分方法和解算方法,建立了計算機模擬模型。在驗證了計算機模擬模型可靠性的前提下,針對不同的工況進(jìn)行數(shù)

56、值模擬,并對所得的結(jié)果進(jìn)行分析。3.2 幾何建模與網(wǎng)格劃分 圖 3.1 幾何建模華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文用于FLUENT模擬的幾何模型如圖3.1所示:標(biāo)簽A為水進(jìn)口、標(biāo)簽B為空氣進(jìn)口;標(biāo)簽C為帶有恒定熱流的壁面、標(biāo)簽D為一絕熱壁面;標(biāo)簽E為流暢出口,標(biāo)簽F為流場區(qū)域。 圖3.2 網(wǎng)格模型網(wǎng)格劃分如圖3.2所示,建模的網(wǎng)格劃分方法為:依據(jù)流場的幾何結(jié)構(gòu)采用uniform quad mesh method網(wǎng)格劃分方法;出于對收斂速度和收斂穩(wěn)定性之間的平衡性的考慮,網(wǎng)格單元大小設(shè)置為0.0001m。3.3 數(shù)學(xué)模型流場內(nèi)的三個基本守恒控制方程為質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。如果流體流動為湍流,還需要加上湍動輸運方程。在本課題研究的多相流傳熱傳質(zhì)中,由于空氣被考慮為氮氧與水蒸氣的混合物,所以整個系統(tǒng)內(nèi)還需加上組分輸運方程。質(zhì)量守恒控制方程:(+(u=0(3-1t華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文動量守恒控制方程:t(u+(u u=P+(u+u+g+F(3-2 湍流動能k輸運方程64:t(k+(ku=(kek+G k+G b+Y M+S k(3-3 以上方程中:為體積分?jǐn)?shù);e為有效粘度,kg/ms;G k為平均速度產(chǎn)生的湍流動能生成項;G b為浮力產(chǎn)生的湍動動能生成項,對等溫過